拡張周期表
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/05/13 10:14 UTC 版)
未発見の元素の探索
合成の試み
ウンビセプチウムまでの第8周期元素は、ウンビトリウムを除いて合成が試みられているが、成功していない。
ウンウンエンニウム
ウンウンエンニウムの合成が初めて試みられたのは、1985年にカリフォルニア州バークレーにあるsuperHILAC加速器で、アインスタイニウム254の標的にカルシウム48イオンを衝突させて行われた。
- 254
99Es + 48
20Ca → 302
119Uue* → no atoms
原子は確認されず，断面積(核反応を起こす割合を表す尺度)の限界は300nbとされた[20]。後の計算では、299Uueと3個の中性子を生成物とする3n反応の断面積は、実際にはこの上限の60万分の1の0.5pbになるとされている[21]。
ウンウンエンニウムは未発見の最軽量元素であり、ドイツとロシアによって合成実験の対象となった。 ロシアの実験は2011年に行われたが、結果は公表されず、ウンウンエンニウム原子が確認されなかったのではないかと考えられている。2012年4月から9月にかけて、ドイツのダルムシュタットにある重イオン研究所(GSI)で、バークリウム249を標的にチタン50を衝突させて295Uueと296Uueの同位体を合成する試みが行われた[22][23]。 理論的に予測される断面積から、実験開始から5ヶ月以内にウンウンエンニウム原子が合成されると予想されていた[24]。
- 249
97Bk + 50
22Ti → 299
119Uue* → 296
119Uue + 3 1
0n - 249
97Bk + 50
22Ti → 299
119Uue* → 295
119Uue + 4 1
0n
当初、実験は2012年11月まで行われる予定であったが[25]、テネシンの合成を確認するために249Bkのターゲットを利用するため(衝突させるイオンをチタン50からカルシウム48に変更)、早期に中止された[26]。 この249Bkと50Tiの反応は、やや非対称であり[24]、やや冷たい合成反応である[26]が、ウンウンエンニウムの生成に最も好ましい実用的な反応であると予測されていた[23](254Esと48Caの反応の方が優れているが、標的用にミリグラム量の254Esを準備するのは難しい[24])。とはいえ、「銀の弾丸」である48Caから50Tiへと変更する必要があり、ウンウンエンニウムの収量は核融合反応の非対称性に強く依存しているため、期待される収量は約20分の1になってしまう[24]。
半減期が短いと予測されたため、GSIのチームはマイクロ秒以内に崩壊イベントを記録できる新しい「高速」機器を使用した[23]。ウンウンエンニウム原子は特定されず、限界断面積は70fbと考えられる[26]。予測される実際の断面積は約40fbであり、これは現在の技術の限界である[24]。
ロシアのドゥブナにあるドゥブナ合同原子核研究所(JINR)のチームは、2019年に新しい実験複合体を用いて、249Bk+50Ti反応と249Cf+50Ti反応を用いたウンウンエンニウムとウンビニリウムの合成実験を開始することを計画した[27][28]。日本の理化学研究所のチームも、248Cm+51V[29]の反応と248Cm+54Crの反応を用いて、248Cmを標的とし2018年からこれらの元素の試みを行うことを計画していた[30]。前者について、2018年[29]から2019年5月まで、その後設備を更新され2020年から2021年末まで実施された[31]。
ウンビニリウム
2006年に、249Cfと48Caの反応でオガネソンを得ることに成功したドゥブナ合同原子核研究所(JINR)のチームは、58Feと244Puの原子核からウンビニリウム(120番元素)を作ることを目指して、2007年3月から4月にかけて同様の実験を開始した。ウンビニリウムの同位体は、アルファ崩壊の半減期がマイクロ秒のオーダーであると予想されている[32][33]。初期の分析ではウンビニリウムの原子は生成されず、エネルギーの限界断面積は400fbという結果であった[34]。
- 244
94Pu + 58
26Fe → 302
120Ubn* → no atoms
ロシアのチームは、この反応に再挑戦する前に設備を更新することを計画していた[34]。
2007年4月、ドイツのダルムシュタットにある重イオン研究所(GSI)のチームは、ウラン238とニッケル64を用いてウンビニリウムの生成を試みた[35]。
- 238
92U + 64
28Ni → 302
120Ubn* → no atoms
原子は検出されず、このエネルギーでの断面積は1.6pbであった。GSIは、2007年4月から5月、2008年1月から3月、2008年9月から10月の3回にわたり、より高い感度で実験を繰り返したが、いずれも否定的な結果となり、断面積の限界値は90fbであった[35]。
GSIでは、より多くの放射性ターゲットを使用できるように装置を更新した後、2010年6月から7月、および2011年に、より非対称な核融合反応を試みた[36]。
- 248
96Cm + 54
24Cr → 302
120Ubn* → no atoms
このような反応の収率は、その非対称性に強く依存しているため、反応の変化によってウンビニリウムの合成確率が5倍になることが期待されていた[37]。 その結果、299Ubnとその娘核295Ogの予測されるアルファ崩壊のエネルギーと、そのまた娘核である291Lvの実験的に知られている崩壊エネルギーに一致する3つの相関信号が観測されたが、これらの可能性のある崩壊の寿命が予想よりもずっと長く、結果を確認することはできなかった[38][39][36]。
2011年8月から10月にかけて、GSIの別チームがTASCA施設を使って、さらに非対称な新しい反応を試みた[40][26]。
- 249
98Cf + 50
22Ti → 299
120Ubn* → no atoms
249Cfと50Tiの反応は、その非対称性から[41]、ウンビニリウムの合成に最も適した実用的な反応であると予測されていたが、やや冷たい合成反応でもある。ウンビニリウムの原子は確認されず、限界断面積は200fbであることが示唆された[26]。Jens Volker Kratzは、これらのどの反応によってもウンビニリウムを生成できる実際の最大断面積は0.1fb程度であると予測した[42]。これに対して、成功した反応の最小断面積の世界記録は、209Bi(70Zn,n)278Nhという反応の30fbであり[24]、Kratzは隣のウンウンエンニウムを生成するための最大断面積を20fbと予測した[42]。 これらの予測が正確であれば、ウンウンエンニウムの合成は現在の技術の限界であり、ウンビニリウムの合成には新しい手法が必要になるだろう[42]。
2022年3月、ユーリイ・オガネシアンはドゥブナ合同原子核研究所で、248Cm+54Crの反応を用いて120番元素を合成する方法の検討について、講演を行った[43]。
ウンビウニウム
ウンビウニウムの合成は、1977年にドイツのダルムシュタットにある重イオン研究所(GSI)で、ウラン238を標的にして銅65イオンを照射することで初めて試みられた。
- 238
92U + 65
29Cu → 303
121Ubu* → no atoms
原子は確認されなかった[11]。
ウンビビウム
ウンビビウムの合成は、1972年にドゥブナ合同原子核研究所(JINR)のゲオルギー・フリョロフらによって、重イオンによる熱核融合反応を利用して初めて試みられた[10]。
- 238
92U + 66,68
30Zn → 304, 306
122Ubb* → no atoms
この実験は、N = 184、Z > 120に安定の島が存在するという初期の予測に基づいて行われた。原子は検出されず、収率限界は5nb(5,000pb)と測定された。現在の結果(フレロビウム参照)では、これらの実験の感度は少なくとも3桁は低かったことが示されている[12]。
2000年には、ドイツの重イオン研究所(GSI)のチームが、より高い感度で類似した実験を行った[10]。
- 238
92U + 70
30Zn → 308
122Ubb* → no atoms
これらの結果は、このような重い元素の合成は依然として大きな課題であり、ビーム強度と実験効率のさらなる向上が必要であることを示している。より質の高い結果を得るためには、将来的には感度を1fbまで上げる必要がある。
ウンビビウムの合成は、1978年にもGSIで行われ、天然のエルビウムを標的にキセノン136イオンを照射したが原子は確認されなかった[10]。
- nat
68Er + 136
54Xe → 298, 300, 302, 303, 304, 306
122Ubb* → no atoms
特に、170Erと136Xeの反応では、半減期がマイクロ秒のアルファ線が発生し、半減期が数時間にも及ぶフレロビウムの同位体に崩壊すると予想されていた。フレロビウムは安定の島の中心近くにあると予測されていたためである。しかし12時間照射しても、この反応は起こらなかった。同じように238Uと65Cuからウンビビウムを合成しようとしたが成功しなかった。超重核の半減期は1マイクロ秒以下であるか、あるいは断面積が非常に小さいと結論づけられた[44]。 超重元素の合成に関する最近の研究では、この2つの結論が正しいことが示唆されている[24][45]。ウンビビウムを合成する1970年代の2つの試みは両方とも、超重元素が潜在的に自然に存在する可能性があるかどうかを調査する研究によって推進された[10]。
306Ubbのような様々な超重核化合物核の核分裂特性を調べるいくつかの実験が、2000年から2004年にかけて、ロシアのドゥブナ合同原子核研究所(JINR)で行われた。2つの核反応、すなわち248Cm + 58Feと242Pu + 64Niについて実施された[10]。その結果、超重核は主に132Sn(Z = 50、N = 82)のような閉殻核を排出して核分裂することが明らかになった。また、48Caと58Feの発射体では、核融合-核分裂経路の収率が同程度であることが判明し、将来的に58Feの発射体を超重元素生成に利用できる可能性が示唆された[46]。
ウンビクアジウム
フランスのカーンにあるGANIL(Grand Accélérateur National d'Ions Lourds、国立重イオン大型加速器)の科学者たちは、この領域での殻模型効果を探り、次の球状陽子殻を突き止めるために、Z = 114、120、124の元素の複合核の直接核分裂と遅延核分裂を測定しようとした。これは、原子核の殻が完全であれば(あるいは陽子や中性子が魔法数であれば）、超重元素の原子核の安定性が高まり、安定の島に近づくことになるからである。2006年には、天然のゲルマニウムにウランイオンを衝突させた反応の結果が発表され、2008年には完全な結果が発表された。
- 238
92U + nat
32Ge → 308, 310, 311, 312, 314
124Ubq* → fission
研究チームは、半減期が10-18秒以上の複合核の核分裂を確認できたことを報告した。この結果は、Z = 124で強い安定化効果があることを示唆しており、次の陽子殻が、従来考えられていたZ = 114ではなく、Z > 120であることを示している。複合核とは、まだ核の殻に収まっていない核子のゆるやかな組み合わせである。内部構造を持たず、標的核と発射核の衝突力のみで結合している。核子が核の殻に収まるまでには約10-14秒かかると言われており、その時点で複合核は核子となる。IUPACではこの数字を、発見された同位体と認められるために必要な最小半減期としている。そのため、GANILの実験は124番元素の発見にはならない[10]。
複合核312124の核分裂は，2006年にイタリアのレニャーロ国立研究所(Laboratori Nazionali di Legnaro)にあるタンデムALPI重イオン加速器でも研究されている[47]。
- 232
90Th + 80
34Se → 312
124Ubq* → fission
ドゥブナ合同原子核研究所(JINR)で行われた過去の実験と同様に、核分裂片は132Sn(Z = 50、N = 82)のような二重魔法数の周りに集まっており、超重核が核分裂でこのような二重魔法数の核子を排出する傾向があることが明らかになった[46]。また、312124複合核からの核分裂1回あたりの平均中性子数も(軽い系に比べて)増加しており、重い核が核分裂でより多くの中性子を放出する傾向が超重質量領域まで続いていることが確認された[47]。
ウンビペンチウム
1970年から1971年にかけて、ドゥブナ合同原子核研究所で亜鉛イオンとアメリシウム243の標的を用いて、最初で唯一のウンビペンチウムの合成が行われた[12]。
- 243
95Am + 66, 68
30Zn → 309, 311
125Ubp* → no atoms
原子は検出されず，断面積の限界は5nbと決定された。この実験は、Z ~ 126やN ~ 184付近の原子核がより安定である可能性に基づいて行われたが[12]、最近の研究では，安定の島はむしろより低い原子番号(コペルニシウム、Z = 112など）にあるのではないかと考えられており、ウンビペンチウムのような重い元素の合成には、より感度の高い実験が必要であるとされている[24]。
ウンビヘキシウム
1971年にCERN(欧州合同素粒子原子核研究機構)でRené BimbotとJohn M. Alexanderが熱核融合反応を用いてウンビヘキシウムの合成を試みたが、成功しなかった[10]。
- 232
90Th + 84
36Kr → 316
126Ubh* → no atoms
高エネルギー(13～15MeV)のアルファ粒子が観測され、ウンビヘキシウムの合成の証拠となる可能性があるとされた。その後、より高い感度での実験に失敗したことから、この実験の10mbの感度は低すぎたと考えられ、この反応でウンビヘキシウムの原子核が生成される可能性は極めて低いと考えられている[8]。
ウンビセプチウム
1978年、重イオン研究所(GSI)のUNILAC加速器で、天然タンタルを標的にキセノン136イオンを照射し、ウンビセプチウムを合成する最初で唯一の試みが行われたが、成功しなかった[10]。
- nat
73Ta + 136
54Xe → 316, 317
127Ubs* → no atoms
自然界での探索
1976年、アメリカの複数の大学の研究者グループが、鉱物による原因不明の放射線障害(特に放射性ハロー)の原因として、原生的な超重元素、主にリバモリウム、ウンビクアジウム、ウンビヘキシウム、ウンビセプチウムがあると提唱した[8]。 これを受けて、1976年から1983年にかけて、多くの研究者が自然界での探索を行った。1976年、カリフォルニア大学デービス校のTom Cahill教授のグループは、観察された障害を引き起こすのに該当するエネルギーのアルファ粒子とX線を検出したと主張し、これらの元素の存在を裏付けた。特に、長寿命(109年オーダー)のウンビクアジウムとウンビヘキシウムの原子核および、その崩壊生成物の存在が推測され、その存在量は同族体のウランやプルトニウムと比較して10−11であるとされた[48]。 他の人々は、何も検出されなかったと主張し、原初の超重原子核の提案された特徴に疑問を呈した[8]。特に彼らは、そのような超重核はN = 184またはN = 228で閉じた中性子殻を持っていなければならず、安定性を高めるために必要なこの条件は、リバモリウムの中性子不足の同位体または、(ほとんどの天然に存在する同位体とは異なり)ベータ安定性[8]を持たない他の元素の中性子過剰同位体にしか存在しないことを挙げていた[49]。 また超重元素は、天然のセリウムの核変換によって引き起こされたとも提案されており、超重元素の観測と主張していたものの、さらに曖昧さを増していた[8]。
2008年4月24日、ヘブライ大学のアムノン・マリノフを中心とするグループが、自然界に存在するトリウムの鉱床から、トリウムに対して10−11から10−12の割合でウンビビウム292の単原子を発見したと主張した[50]。マリノフらの主張は、一部の科学者から批判された。マリノフは、ネイチャー誌とネイチャー フィジクス誌に論文を投稿したが、査読に回さずに両誌から断られたと主張していた[51]。ウンビビウム292原子は超変形または過変形された核異性体であり、半減期は少なくとも1億年であると主張していた[10]。
2008年のフィジカル・レビューC誌に、質量分析法でより軽いトリウムの同位体を識別すると称して使われていた[52]、この技術に対する批判が掲載された[53]。掲載されたコメントの後に、Marinovグループによる反論がフィジカル・レビューC誌に掲載された[54]。
加速器質量分析(AMS)の優れた方法を使用したトリウムの繰り返し実験では、感度が100倍優れているにもかかわらず、結果を確認できなかった[55]。この結果は、マリノフグループが主張するトリウム[52]、レントゲニウム[56]、ウンビビウム[50]の長寿命同位体に関する結果に大きな疑問を投げかけるものであった。ウンビビウムの痕跡が一部のトリウム試料にのみ存在する可能性はあるが、見込みは薄い[10]。
現在の地球上に原生超重元素がどの程度存在しうるかは不確かである。それらがずっと前に放射線損傷を引き起こしたことが確認されたとしても、それらは今では単なる痕跡に崩壊したか、あるいは完全になくなったかもしれない[57]。そのような超重元素の原子核が自然に生成されるかどうかも不確かである。というのも、自発核分裂によって、質量数270から290の間で重元素生成の原因となるr過程を終了させると予想されており、ウンビニリウムよりも重い元素が生成されるずっと前に終了するからである[58]。
最近の仮説では、プシビルスキ星のスペクトルを用いて、フレロビウム、ウンビニリウム、ウンビヘキシウムの天然での存在を説明しようとしている[59][60][61]。
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