COLABORACIONES


Núclidos y nucleones: origen y clasificación de los átomos

Habíamos anunciado en este boletín, tras un rápido repaso a unos términos que podían prestarse a confusión en algunas traducciones (como los nucleótidos que tomaron la plaza de los nucleósidos), que un día hablaríamos de otros vocablos en los que la misma raíz se refería a otro núcleo, muy distinto del de la célula. En efecto, si bien no debe confundirse nunca un nucleótido con un nucleósido (puntoycoma n.o 125, p. 3), tomarlo por un núclido sería un despropósito muchísimo más grave, y en el que existe cierto riesgo de caer, como veremos más adelante.

El corazón del átomo

El término más sencillo de definir es el nucleón: los nucleones son hadrones que forman parte del núcleo atómico, y pueden tener carga eléctrica positiva (protones) o carecer de ella (neutrones). Un hadrón es una partícula formada por quarks, sometida a la interacción nuclear fuerte.

Iba a decir que un núclido, en el fondo, no es más que un átomo cuyos electrones (cuya «corteza», como nos habían enseñado en la escuela) no tenemos en cuenta, pero eso sería definir el núcleo atómico, que no es exactamente lo mismo. En efecto, la materia en la que nos movemos, la materia bariónica, se compone de átomos, no de núcleos: si un profesional sanitario nos inyecta un rastreador que contenga un núclido radiactivo, estará introduciendo en nuestro cuerpo átomos enteros, y no «núcleos».

Como todos sabemos, hay muchos tipos de átomos: el sistema periódico nos los presenta perfectamente ordenados. ¿Significa esto que solo existe un centenar y pico de núclidos distintos? De ninguna manera, pues hoy podemos describir más de tres mil átomos diferentes. Lo que ocurre es que la tabla de los elementos solo los desglosa según su número atómico (símbolo Z, del alemán Zahl), pero no por su masa atómica (símbolo A, del alemán Atomgewicht), es decir: clasifica aparte a los isobaros (núclidos con igual masa atómica, pero con distinto número atómico; por ejemplo: 3H y 3He, o 14C y 14N) y a los isotonos (núclidos con igual número de neutrones, pero con distinto número de protones; por ejemplo: 9Be y 10B, o 48Ca y 54Fe), pero no a los isómeros (núclidos con igual masa atómica y número atómico, pero distinta energía de excitación1; por ejemplo: 108Ag y 108mAg, o 180Ta y 180mTa) ni a los isótopos (núclidos con igual número atómico, pero con distinta masa atómica; por ejemplo: 35Cl y 37Cl, o 39K y 41K).

El núcleo de un átomo de mercurio, por ejemplo, siempre tendrá sus 80 protones (si no, dejará de ser mercurio), pero puede tener 116, 118, 119, 120, 121, 122 o 124 neutrones (y eso si nos limitamos exclusivamente a sus formas estables). Así, un solo elemento de la tabla periódica nos da en este caso siete núclidos diferentes (o veintidós, si incluyéramos sus quince isótopos radiactivos).

En general (con las únicas excepciones del deuterio, el muonio y el tritio, para los que se admiten los símbolos particulares D, Mu y T), los núclidos se representan anteponiendo a su símbolo químico su masa atómica en números arábigos volados: 12C, 200Hg, 294Uuo (hay quienes añaden su número atómico como subíndice, pero es algo totalmente gratuito, ya que todo C es 6C, todo Hg es 80Hg y todo Uuo es 118Uuo).

También los átomos tienen una historia

Muchas veces, cuando se nos habla de la historia de los elementos, esta se ve limitada a la «historia de sus descubrimientos», que los desglosa en función de si ya eran conocidos en la antigüedad o si algún científico moderno nos reveló su existencia. Pero esos elementos, en sí, también tienen una historia independiente. En efecto, los átomos no aparecieron de repente en el universo primordial como resultado de ningún «acto creador», sino que surgieron a partir de varios procesos de nucleosíntesis.

No es este el lugar para discutir hipótesis de compleja demostración, como las del llamado Big Bang, pero algo en lo que prácticamente todos los astrofísicos están de acuerdo es que hubo un momento (hace ahora 13 700 millones de años) en el que nuestro universo estuvo sometido a una temperatura de 1032 K, por lo que las partículas elementales no podían unirse entre sí, y estaba formado únicamente por leptones y quarks. Cuando la temperatura hubo descendido hasta 109 K tuvo lugar una nucleosíntesis primordial, en la que pudieron formarse núcleos de H y He. Al cabo de 380 000 años, la temperatura del universo descendió hasta unos 3 000 K, lo que permitió que los electrones fuesen capturados por los núcleos atómicos y que los fotones pudieran propagarse libremente, con lo que el universo dejó de ser opaco… et facta est lux, como decían nuestros viejos mitos. El informe que los físicos denominan «αβγ» (por ser obra de R. Alpher, H. Bethe y G. Gamow) estableció en 1948 que las condiciones que reinaban en el universo cuando este se volvió transparente ya eran compatibles con la nucleosíntesis de los siguientes elementos de la tabla (litio y berilio).

¿Cómo puede mantenerse unido un núcleo atómico, formado por partículas neutras o con carga positiva, cuando es bien sabido que las del mismo signo se repelen? Porque a una distancia muy corta (del orden de los 10–15 m) la fuerza electromagnética cede ante la interacción nuclear fuerte, muchísimo más potente, en la que los gluones unen a los nucleones con independencia de su carga, y hacen que un núcleo con n partículas sea más estable que esas mismas partículas separadas.

Pero solo hemos hablado de los primeros elementos de nuestra tabla periódica: ¿cómo se originaron todos los demás? Habría que esperar hasta que se formasen las primeras estrellas, en las que tuvo lugar el proceso de fusión del hidrógeno y del helio, que culminaría, tras diferentes etapas de su ciclo vital, en la formación de una veintena de elementos nuevos, hasta llegar al núclido más estable (el del hierro 56Fe).

Las supernovas y otras grandes explosiones de estrellas agonizantes provocaron la fusión de algunos de estos núcleos para originar elementos más pesados, como el paladio y la plata. Los últimos elementos fruto de la nucleosíntesis estelar (tan pesados como el oro o el plomo) debieron de formarse por colisiones de estrellas de neutrones.

Núclidos primordiales y radionúclidos

Denominamos primordiales todos los núclidos que aparecieron en esas nucleosíntesis estelares y que son totalmente estables. Los núclidos inestables son radionúclidos, que sufren algún tipo de desintegración, ya sea porque conozcan una escisión (bien sea una fisión espontánea2, bien esté provocada por una colisión) o porque emitan determinadas partículas. En la desintegración α emiten un núcleo de helio, con lo que pierden dos neutrones y dos protones; en la desintegración β emiten un electrón. (Alto, ¿cómo puede un núcleo emitir un electrón?, ¿no habíamos quedado en que los electrones solo podían encontrarse en la «corteza»? De hecho, lo que ocurre en realidad es la mutación de un quark: para no alejarnos del ámbito terminológico, supongamos que en la desintegración β, o emisión de un electrón, un neutrón se convierte en protón, y que en la desintegración β+, o emisión de un positrón, un protón se convierte en neutrón.) Lógicamente, tanto en la escisión como en la desintegración α y β, los radionúclidos se convierten en elementos distintos.

En los seis primeros periodos de la tabla hay 268 núclidos primordiales, desglosados del siguiente modo: 4 en el primero, 16 en el segundo, 18 en el tercero, 60 en el cuarto, 72 en el quinto y 98 en el sexto. También podemos considerar primordiales determinados núcleos del séptimo periodo que, aunque no sean totalmente estables, tienen una vida tan longeva que supera el tiempo que nos separa del Big Bang3.

Si dibujamos una tabla con todos los núclidos conocidos y la colocamos sobre unos semiejes de coordenadas en los que las abscisas sean el número de protones (bastarían ciento dieciocho columnas para completar el séptimo periodo), y las ordenadas, el de los neutrones (aquí se precisarían unas ciento ochenta filas), el resultado será una nube de puntos que irá avanzando hacia la derecha y hacia arriba, formando una especie de vía láctea. Los núclidos de la banda central serán los estables; encima de ellos encontraremos los que sufren la desintegración β (que, al transformar un neutrón en protón, se desplazarán una casilla en diagonal hacia la derecha y abajo, acercándose así a la zona de estabilidad); debajo de la banda estable hallaremos los que sufren la desintegración β+ (que, al transformar un protón en neutrón, se desplazarán en sentido opuesto, siempre en dirección al área de estabilidad).

A medida que nos fuéramos elevando hasta valores superiores a A = 250 encontraríamos cada vez más núclidos fisibles, hasta llegar a abandonar la zona estable (aunque algunos científicos predicen la existencia de posibles «islotes de estabilidad» más allá de estas masas; por ejemplo, alrededor del elemento 164, con una masa atómica de 318). Huelga decir que todos estos radionúclidos son artificiales, con una vida muy corta, originados en colisiones provocadas en los grandes aceleradores de partículas.

¿Núclidos o nucleidos?

Hay algo que debe quedar muy claro: los términos núclido y nucleido son perfectos sinónimos. Aunque el Diccionario de la lengua española, el Vocabulario Científico y Técnico y el Vocabulario Electrotécnico Internacional prefieren la forma «nucleido», la unanimidad al respecto está lejos de existir en la comunidad científica hispanófona. Las bases de datos terminológicas de la UE recogen también la forma «núclido», presente en varios diccionarios (como los de Beigbeder, Elsevier o Mataix, e incluso en el de la Junta de Energía Nuclear). En este artículo he optado por dar prioridad a esta última fórmula siguiendo el razonamiento de Fernando A. Navarro: «sería preferible traducir [nuclide] por "núclido" (neologismo perfectamente válido en nuestro idioma), para evitar posibles confusiones con el vocablo nucleide (nucleido), que designa cualquier compuesto formado por un ácido nucleico con un elemento metálico»4. La confusión entre nuclide y nucleide sería muy grave, como hemos advertido en el inicio de este artículo.

Veamos ahora cuál es la definición que figura en la actual edición del DRAE:

nucleido. 1. m. Fís. Núcleo atómico caracterizado por contener igual número de protones que de neutrones.

Lo que parece querer decir que solo podrían ser «nucleidos» los átomos que cumplieran la igualdad A = 2Z, lo que reduciría su número a doce, siendo el más pesado el 40Ca, con veinte protones y veinte neutrones (o a veintisiete, si incluimos los radionúclidos, con lo que sería entonces el más pesado el 60Zn, con treinta de cada).

Es evidente que no es esto de lo que se trata, sino que un núclido es el átomo que se identifica por su número atómico, su masa atómica y su energía de excitación. Esperemos que algún día esta sea la definición que figure en todos los buenos diccionarios. 

Apéndice 1. ¿Puede hablarse aún de «peso atómico»?

En las bases de datos de la UE coexisten los términos «masa atómica», «peso atómico» y «número másico»:

masa atómica

Atommasse

atomic mass

masse atomique

ficha 1625726 de IATE

peso atómico

Atomgewicht

atomic weight

poids atomique

ficha 1552127 de IATE

número másico

Massenzahl

mass number

nombre de masse

ficha 1368218 de IATE

 

Advierto antes que nada de que no existe unanimidad en la comunidad científica internacional: frente a la evidencia esgrimida por unos de que estamos hablando de masas y no de pesos, otros oponen el argumento de la larga tradición del término consagrado (en todas las lenguas, claro).

Voy a ceñirme aquí a un informe5 de la comisión correspondiente de la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, organización responsable de todos los aspectos de la nomenclatura química, creada en 1919 a partir de la Asociación Internacional de Sociedades Químicas), que en 1961 propuso, por boca de Tomás Batuecas, a la sazón presidente de la Comisión de Pesos Atómicos, cambiar esta denominación por la de «Comisión de Masas Atómicas». Los científicos procedentes del ámbito de la física estuvieron de acuerdo, pero los químicos manifestaron fuertes reticencias. Así, en 1969, la IUPAC adoptó la decisión salomónica de utilizar el término masa atómica para los núclidos, pero conservar el término peso atómico para los elementos (con lo que este término, en realidad, pasó a significar «masa atómica relativa media»)6. Así, el peso atómico del flúor es 18,9984, pero esta cifra no representa la masa atómica de ningún núclido, sino la media ponderada de la masa del isótopo estable (19F) y la de los radionúclidos 17F, 18F, 20F, 21F y 22F.

El número másico se define como el número de nucleones de un átomo. Lógicamente, equivale a su masa atómica.

Apéndice 2. ¿Cómo nombrar todos los elementos? 

Desde 1947, la Comisión de Nomenclatura de Química Inorgánica es el único organismo habilitado para recomendar un nombre oficial al Consejo de la IUPAC. Sus últimas decisiones se refirieron a los elementos 114 y 116 (véase puntoycoma n.o 129, p. 1). ¿Qué ocurre entonces con los elementos siguientes de la tabla, para los que aún no se ha emitido ninguna decisión oficial?

Hay quien se inventa tranquilamente nuevos nombres para los elementos hipotéticos, pero está claro que esas denominaciones, por mucha fama que puedan alcanzar en internet, solo serán válidas para sus inventores y algunos de sus amigos en las redes sociales, y que perderán el poco predicamento que puedan tener tan pronto la IUPAC se pronuncie al respecto. Hubo también quienes procedieron por eliminación y estudiaron qué combinaciones de letras quedaban libres. Las mayores posibilidades las ofrecían las iniciadas por la letra e, dado que por ahora solo tres elementos tienen un símbolo que empiece por dicha letra: el einstenio (Es), el erbio (Er) y el europio (Eu). Ello permite utilizar todas las combinaciones de «Ea» a «Eq». Problema: ¿qué hacer cuando los elementos «Ea», «Eb», «Ec», etcétera sean identificados y reciban su nombre definitivo, publicado en la muy oficial Pure and Applied Chemistry? Rebautizar «Ea» al siguiente elemento hipotético era complicar demasiado las cosas: ¡el «Ea» de 2015 sería diferente del de 2010! Esta práctica confusa chocaría de frente con la tradición de la IUPAC, que establece que, si un nombre ha sido rechazado, ya no podrá proponerse nunca más: es el caso del «masurio», actual Tc; del «alabamio», actual At; del «brevio», actual 234Pa; del «kurchatovio», actual Rf, o del «hahnio», actual Db, y a fortiori el de nombres ya utilizados como sinónimos, como el «glucinio» (Be), el «columbio» (Nb), el «tungsteno» (W) o el «nitón» (Rn).

Ante ese desbarajuste, la IUPAC tomó una decisión audaz. Para empezar, el símbolo de los elementos hipotéticos tendría tres letras. Los científicos más ortodoxos fruncieron el ceño: todos los símbolos de la tabla periódica están formados desde siempre (desde Berzelius, para ser exactos) por una o dos letras, y es evidente que con las diversas combinaciones de veinticinco caracteres pueden denominarse sin mayores problemas con un máximo de dos letras hasta seiscientos cincuenta elementos, muchos más de los que pueda prever el físico nuclear más imaginativo.

La IUPAC respondió a esas críticas mostrando que con esta modificación quedaba muy claro si el nombre del elemento era el ya aprobado de manera oficial (con un símbolo tradicional, compuesto por una o dos letras) o bien uno provisional (de tres letras), que se referiría siempre a un elemento hipotético o pendiente de confirmar en laboratorio. Además, su propuesta era muy elegante: las tres letras que denominarían a estos elementos equivaldrían a los dígitos de su número atómico, con arreglo a las correspondencias siguientes, basadas en etimologías griegas o latinas (véase la recomendación de la IUPAC, actualizada en 2004)7:

 

 0          nil          n

 5          pent          p

 1           un          u

 6          hex           h

 2          bi            b

 7          sept           s

 3          tri           t

 8          oct             o

 4          quad      q

 9          enn           e

 

Así, el elemento 110 se denominó «ununnilio» (Uun); el 111, «unununio» (Uuu), y así sucesivamente8. Cuando en su momento la IUPAC decidió que esos elementos se denominarían oficialmente darmstadtio y roentgenio, se adoptaron los símbolos definitivos Ds y Rg, eliminándose los provisionales (lo mismo pasó más tarde, cuando el Uub pasó a ser el copernicio, el Uuq pasó a ser el flerovio, o el Uuh, el livermorio). Esta solución permite nombrar hasta el elemento hipotético 999, el «enenenio» (ennennennium, símbolo Eee).

Hay que señalar que algunos físicos, a quienes preocupan poco estas precisiones terminológicas que a los traductores nos quitan el sueño, se limitan a denominar los elementos hipotéticos con su número atómico. Así, antes que referirse al Uuo, el Uue o el Ubn, preferirán hablar del «elemento 118», el «elemento 119» y el «elemento 120». Es una opción totalmente correcta. Sin contar que a veces vale la pena contar con una taxonomía específica: por ejemplo, el uso de la relación Z:(A-Z) es muy práctica para trabajar con según qué tipo de programas informáticos (así, 13:14 equivale a 27Al, y 15:16, a 31P, sin equívoco posible).

No quisiera finalizar sin mencionar una terminología venerable, creada por el propio Mendeléyev, que todavía puede hallarse en varias publicaciones: es la que recurre a unos prefijos tomados nada menos que del sánscrito (eka-, dvi- o tri-) para indicar los elementos hipotéticos situados en la tabla periódica uno, dos o tres lugares por debajo de otros conocidos; así, por ejemplo, el ekasilicio fue el nombre provisional del germanio, y el dvimanganeso, el del renio (y el ekafrancio será el «ununenio»).

Miquel Vidal
Comisión Europea
miguel.vidal-millan@ec.europa.eu

 

 

 

 

 

 

 

 

1 La energía de excitación es la cantidad de energía necesaria para que el átomo pase de su estado fundamental al estado excitado. Ciertos núclidos con igual masa atómica y número atómico pueden presentar energías de excitación distintas: son los isómeros.
2 La fisión espontánea fue descubierta por Giorgi N. Flerov en 1940. Cabe recordar que este científico soviético (cuyo apellido ha entrado hace poco en la tabla periódica al nombrar al elemento 114) fue el primero en darse cuenta de que toda la literatura científica alemana, británica y estadounidense había cesado súbitamente, en los primeros años de la guerra mundial, de publicar artículos sobre la fisión nuclear, lo que le hizo sospechar que ahí había gato encerrado y lanzar la alerta de que estaba tramándose algo gordo.
3 Llamamos Big Bang al estado en el que se encontraba nuestro universo hace 13 700 millones de años. Aunque muchas obras de vulgarización lo han presentado como una «singularidad» (el instante cero a partir del cual empezaría el espacio y el tiempo), la comunidad científica sostiene que, si bien el universo era muy pequeño (longitud de Planck) y muy caliente (temperatura de Planck), en modo alguno era un punto de talla nula, volumen nulo, temperatura infinita y densidad infinita: el problema es que no ha podido seguir extrapolándose más allá; en ese sentido podrían considerarse unas ecuaciones matemáticamente posibles, pero físicamente falsas, o imposibles de demostrar.
4 Navarro, Fernando A.: Diccionario crítico de dudas inglés-español de medicina, 2.a ed., McGraw-Hill, Madrid, 2005, p. 688.
5 Comisión de Pesos Atómicos de la División de Química Inorgánica de la IUPAC: «”Atomic weight”: The name, its history, definition, and units», Pure and Applied Chemistry, vol. 64, n.o 10, 1992, pp. 1535 ss.
http://www.iupac.org/publications/pac/1992/pdf/6410x1535.pdf.
6 La unidad de masa atómica se define como un doceavo de la masa del 12C.
7 http://old.iupac.org/reports/provisional/abstract04/RB-prs310804/
Chap3-3.04.pdf.
8  Siguiendo la nomenclatura internacional normalizada, todos terminan con el sufijo -ium: ununnilum, unununium, etcétera, que es el sufijo en el que terminan todos los elementos del séptimo periodo. La ene final de enn- se elide ante -nil (unennilium), y la i final de bi- y tri- se elide ante el sufijo (unbibium, unbitrium). Ello no obsta para que en publicaciones domésticas podamos hispanizarlos con el sufijo en o: «untrinilio», «untriunio», como hemos hecho siempre con los elementos del séptimo periodo (francio, radio, actinio, torio, etcétera). Incluso puede cambiarse la ene por eme ante be o pe («unumbio», «unumpentio»).

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