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拡張周期表は、現在知られ証明されているもの以外の化学元素について理論化したものです。最も原子番号が大きい元素はオガネソン( Z = 118)で、周期表の 第 7周期(行)を完了します。したがって、第 8 周期以降のすべての元素は、完全に仮説上のものです。
118 を超える元素は発見されると追加の周期に配置され、元素の特性の周期的な傾向を示すために (既存の周期と同様に) 配置されます。追加の周期には、各周期に部分的に満たされたg軌道を持つ少なくとも 18 個の元素を含む、いわゆるg ブロックが追加されると計算されるため、第 7 周期よりも多くの元素が含まれることが予想されます。このブロックを含む8 周期表は、 1969 年にGlenn T. Seaborgによって提案されました。 [1] [2] g ブロックの最初の元素は原子番号 121 である可能性があり、したがって系統名はウンビウニウムになります。多くの調査にもかかわらず、この領域の元素は自然界で合成または発見されていません。[3]
原子構造の量子力学的記述における軌道近似によれば、gブロックは部分的に満たされたg軌道を持つ元素に対応するが、スピン軌道相互作用効果は高原子番号の元素に対して軌道近似の妥当性を大幅に低下させる。シーボーグの拡張周期版では、相対論的効果を考慮しなかったため、重い元素は軽い元素によって設定されたパターンに従っていた。相対論的効果を考慮したモデルは、パターンが崩れると予測している。ペッカ・ピュイッコとブルクハルト・フリッケは、コンピュータモデリングを使用してZ = 172までの元素の位置を計算し、いくつかの元素がマデルング則から外れていることを発見した。[4] 120を超える元素の化学的および物理的特性の予測には不確実性と変動性があるため、現在のところ、拡張周期表におけるそれらの配置に関するコンセンサスは存在しない。
この領域の元素は放射性崩壊に対して非常に不安定で、半減期が極めて短いアルファ崩壊または自発核分裂を起こす可能性が高いが、元素番号126は核分裂には抵抗するがアルファ崩壊には抵抗しない安定島内にあると仮定されている。既知の元素以外にも安定島が存在する可能性があり、その中には元素番号164の周囲に理論化されているものも含まれるが、閉じた核殻による安定化効果の程度は不明である。予想される安定島を超える元素が物理的にいくつ存在する可能性があるのか、周期表の第8周期が完全なのか、周期表の第9周期が存在するのかは明らかではない。国際純正応用化学連合（IUPAC）は、寿命が原子核が電子雲を形成するのにかかる時間である10 −14秒（0.01 ピコ秒、または10 フェムト秒）より長い元素が存在すると定義している。[5]
1940年には早くも、相対論的 ディラック方程式の単純化した解釈は、 Z > 1/α ≈ 137の電子軌道で問題にぶつかることが指摘されており 、これは中性原子は元素137を超えて存在できないことを示唆しており、したがって電子軌道に基づく元素周期表はこの時点で破綻することを示唆している。[6]一方、より厳密な分析では、類似の限界がZ ≈ 168–172であると計算され、ここで1sサブシェルはディラックの海に飛び込み、この点を超えて存在できないのは中性原子ではなく裸の原子核であり、したがって周期表をさらに拡張する上で障害にはならない。この臨界原子番号を超える原子は超臨界原子と呼ばれる。
歴史
アクチノイド以外の元素の存在が初めて提唱されたのは1895年で、デンマークの化学者ハンス・ペーター・ヨルゲン・ジュリアス・トムセンは、トリウムとウランが32元素周期の一部を形成し、その周期が化学的に不活性な原子量292（オガネソンの唯一の既知の同位体の294とそれほど遠くない）で終わると予測した。1913年、スウェーデンの物理学者ヨハネス・リュードベリは同様に、ラドンの次の希ガスは原子番号118になると予測し、ラドンのさらに重い同族体であるZ = 168、218、290、362、および460を純粋に形式的に導き、まさにアウフバウ原理で予測される位置にあった。 1922年、ニールス・ボーアは、この次に希なガスの電子構造をZ = 118で予測し 、ウランを超える元素が自然界に見られないのは不安定すぎるためだと示唆した。ドイツの物理学者でエンジニアのリチャード・スウィンは、1926年に超ウラン元素（この用語は彼が作ったと思われる）に関する予測を含むレビュー論文を発表し、その中で彼は現代の安定島の予測を予見していた。彼は1914年に、半減期は原子番号とともに厳密に減少するべきではないという仮説を初めて立て、代わりにZ = 98〜102とZ = 108〜110に寿命の長い元素があるかもしれないと示唆し、そのような元素は地球の核、鉄隕石、または想定される宇宙起源から閉じ込められていたグリーンランドの氷冠に存在する可能性があると推測した。 [7] 1955年までに、これらの元素は超重元素と呼ばれた。[8]
未発見の超重元素の特性に関する最初の予測は、原子核殻の概念が初めて探求され、安定の島が元素番号126の周囲に存在すると理論化された1957年に行われました。 [9] 1967年には、より厳密な計算が行われ、安定の島は当時未発見だったフレロビウム（元素番号114）を中心とすると理論化されました。この研究とその後の他の研究がきっかけとなり、多くの研究者が自然界で超重元素を探したり、加速器で合成しようと試みるようになりました。 [8] 1970年代には超重元素の探索が数多く行われましたが、すべて否定的な結果に終わりました。 2022年4月現在、ウンビセプティウム（ Z = 127）[update]までのすべての元素（ウンビトリウム（ Z = 123）を除く）の合成が試みられている。 [ 10] [11] [12]最も重い合成に成功した元素は2002年のオガネソンで、最も最近発見された元素は2010年のテネシンである。 [10]
一部の超重元素は7周期周期表の範囲外にあると予測されたため、これらの元素を含む追加の第8周期が1969年にグレン・T・シーボーグによって初めて提案されました。このモデルは、確立された元素のパターンを継承し、元素121から始まる新しいgブロックおよび超アクチノイド系列を導入し、既知の周期と比較して第8周期の元素数を増やしました。[1] [2] [8]ただし、これらの初期の計算では、周期的な傾向を崩し、単純な外挿を不可能にする相対論的効果が考慮されていませんでした。 1971年、フリッケは周期表をZ = 172まで計算し、いくつかの元素が実際に確立されたパターンを破る異なる特性を持つことを発見しました。 [4]また、ペッカ・ピュイッコによる2010年の計算では、いくつかの元素が予想とは異なる動作をする可能性があることも指摘されました。[13]重い元素はますます不安定になると予測されるため、周期表が既知の118元素を超えてどこまで拡張されるかは不明です。グレン・T・シーボーグは、実際には 核不安定性により周期表の終わりはZ = 120あたりで早くも来るかもしれないと示唆した。 [14]
拡張周期表の予測構造
現在、周期表における 原子番号 120 を超える元素の配置については合意が得られていません。
すべての仮説上の元素には、その元素が発見され、確認され、正式名称が承認されるまで、国際純正・応用化学連合(IUPAC)の体系元素名が付けられる。これらの名前は通常文献では使用されず、元素は原子番号で参照される。したがって、元素164は通常「アンヘクサクアジウム」または「Uhq」(体系名と記号) とは呼ばれず、「元素164」の記号「164」、「(164)」、または「E164」で呼ばれる。[15]
アウフバウ原理
元素 118 では、軌道 1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、4f、5s、5p、5d、5f、6s、6p、6d、7s、7p が満たされ、残りの軌道は満たされていないと想定されます。Aufbau原理からの単純な外挿では、8 行目は 8s、5g、6f、7d、8p の順序で軌道が満たされると予測されますが、元素 120 以降では、電子殻が近接しているため、単純な表に配置することが困難になります。
フリッケ
すべてのモデルが、より軽い元素によって確立されたパターンに従う高次の元素を示しているわけではない。1971年に発表された論文で元素184までの計算を行ったBurkhard Frickeらは、軌道の重なりの結果として、一部の元素がMadelungエネルギー秩序規則から外れるのを発見した。これは、重元素における相対論的効果の役割が増大していることによって引き起こされる（彼らは元素184までの化学的性質を記述しているが、表は元素172までしか描いていない。）[4] [16]
Fricke らのフォーマットは、化学的挙動の可能性よりも正式な電子配置に重点を置いている。彼らは元素 156～164 を 4～12 族に分類しているが、これは正式にはそれらの配置が 7d 2から 7d 10 になるからである。しかし、これらの元素は 8s 殻は化学結合に利用できず、代わりに 9s 殻が利用できる点で以前の d 元素と異なる。そのため、7d 10 9s 0 の元素 164 はFrickeらによって4d 10 5s 0のパラジウムに類似していると指摘され、元素 157～172 は 3～18 族と化学的類似性を持つと考えられている (ただし、元素 165 と 166 がそれぞれ 1 族と 2 族の元素に近いのか、それとも 11 族と 12 族の元素に近いのかについては意見が分かれている)。そのため、元素番号157～164は、著者らが化学的に最も類似しているとは考えていないグループに表に配置されている。[17]
ネフェドフ
Nefedov 、Trzhaskovskaya、Yarzhemskiiは164までの計算を実行した（結果は2006年に発表された）。彼らは、電子配置が第 5 周期の遷移金属と類似していることに注目し (たとえば、元素 159 7d 4 9s 1と Nb 4d 4 5s 1、元素 160 7d 5 9s 1と Mo 4d 5 5s 1、元素 162 7d 7 9s 1と Ru 4d 7 5s 1、元素 163 7d 8 9s 1と Rh 4d 8 5s 1、元素 164 7d 10 9s 0と Pd 4d 10 5s 0 )、元素 158 から 164を第 4 族から10 族の相同元素とみなし、第 6 族から 12 族の相同元素とはみなさなかった。したがって、彼らは化学的に最も類似したグループについては Fricke らの見解に同意しているが、Nefedov らの見解と異なる。実際には、元素を化学的に最も類似したグループに配置します。RgとCnには、AuとHgとは異なる構成を反映してアスタリスクが付けられています（元の出版物では、3次元で置き換えられたように描かれています）。実際、CnはおそらくHgに類似した構成を持ち、PtとDsの構成の違いは示されていません。[18]
ピュッコ
ペッカ・ピュイッコは2011年に発表した論文で、コンピュータモデリングを使用してZ = 172までの元素の位置 とそれらの化学的性質を計算した。彼はフリッケらの軌道順序を再現し、イオン配置に基づいて元素121〜164に正式にスロットを割り当てることで彼らの表を改良することを提案した。[13]
電子を整理するために、ピュッコはいくつかの元素を順番通りに配置していない。つまり、139と140は8p 1/2殻を埋める必要があることを反映して13族と14族に配置され、5g、8p 1/ 2、6f系列を別々に区別している。 [13]フリッケらとネフェドフらはこれらの系列を分割しようとはしていない。[17] [18]
クルシャ
計算化学者アンドレイ・クルシャは、ピュッコの計算を参考にしてネフェドフらの164までのバージョンを基に改良した、172までの拡張周期表の2つの形式を提案した。[19]考えられる化学的性質に基づいて、元素157～172は、両方の形式で、第5周期のイットリウムからキセノンまでの第8周期の同族として配置されています。[19]これは、ネフェドフらによる157～164のイットリウムからパラジウムまでの配置を拡張し、[18]フリッケらによる化学的類推と一致しています。[17]
クルシャは、以前の元素に正確な類似物が存在しない元素121～156を扱う2つの方法を提案した。彼の最初の形式（2011年、ピュッコの論文が発表された後）では、[19]元素121～138と139～156は2つの別々の列（まとめて「超遷移元素」と呼ばれる）として配置され、5g 18サブシェルをコアに追加することで関連付けられている。ピュッコの酸化状態の計算によると、[13]これらはそれぞれランタノイドとアクチノイドを模倣するはずである。[19] [20]彼の2番目の提案（2016年）では、元素121～142はgブロックを形成し（5g活性があるため）、元素143～156はアクチニウムからノーベリウムの下に配置されたfブロックを形成している。[21]
したがって、周期8には54個の元素があり、118の次の貴元素は172である。[22]
スミッツら
2023年、スミッツ、デュルマン、インデリカート、ナザレヴィッツ、シュヴェルトフェガーは、電子配置に基づいて周期表の119番から170番までの元素を配置する別の試みを行った。いくつかの元素（121番から124番および168番）の配置では、明確に配置することができなかった。元素145は2回出現し、いくつかの場所は二重占有され、他の場所は空である。[23]
未発見の元素の探索
合成の試み
ウンビセプティウムまでの第8周期元素（ウンビトリウムを除く）を合成する試みがなされてきた。そのような試みはすべて失敗に終わった。第8周期元素の最初のウンウンネニウムを合成する試みは、2025年現在も進行中である[update]。
ウンウネニウム（E119）
元素番号119（ウンウンニウム）の合成は、1985年にカリフォルニア州バークレーのスーパーHILAC加速器で アインシュタイン254のターゲットにカルシウム48イオンを照射することによって初めて試みられました。
- 254
99エス
+48
20カナダ
→ 302 119* → 原子なし
原子が特定されなかったため、限界断面積は300 nbとなった。[24]その後の計算では、3n反応の断面積（生成物として299 119と3個の中性子が生成）は実際にはこの上限の60万倍低い0.5 pbになることが示唆されている。[25]
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GSIヘルムホルツ重イオン研究センターで、バークリウム-249のターゲットにチタン-50を照射して同位体295 119と296 119を合成する試みが行われた。 [26] [27]理論的に予測された断面積に基づくと、実験開始から5か月以内にウンウンニウム原子が合成されると予想された。[28]さらに、バークリウム-249は半減期が327日と短いカリホルニウム-249（次の元素）に崩壊するため、これにより元素119と120を同時に探索することができた。[29]
- 249
97バック
+50
22ティ
→ 299 119* → 原子なし
この実験は当初2012年11月まで続ける予定だったが[30] 、テネシンの合成を確認するために249 Bkターゲットを使用するため早期に中止された（そのため、発射体が48 Caに変更された）。[31]この249 Bk + 50 Tiの反応は、かなり非対称であるが[ 28]、やや低温であるため、元素119の形成に最も適した実用的な反応であると予測された。[31]（254 Es + 48 Caの方が優れているが、ターゲット用にミリグラム量の254 Esを準備するのは困難である。） [28]しかし、「銀の弾丸」 48 Caから50 Tiへの必要な変更は、収量が融合反応の非対称性に大きく依存するため、元素119の予想収量を約20分の1にする。[28]
半減期が短いと予測されたため、GSIチームは崩壊イベントをマイクロ秒以内に記録できる新しい「高速」電子機器を使用しました。[27]元素119の原子は特定されなかったため、限界断面積は70 fbです。[31]予測される実際の断面積は約40 fbで、現在の技術の限界です。[28]
理化学研究所（和光市）のチームは、 2018年1月からバナジウム-51ビームでキュリウム-248ターゲットを照射し、元素119の探索を開始した[32]。キュリウムがターゲットとして選ばれたのは、より重いバークリウムやカリホルニウムではなく、これらのより重いターゲットの準備が難しいためである。[33] 248 Cmターゲットはオークリッジ国立研究所から提供された。理化学研究所は高強度バナジウムビームを開発した。[34]実験は、理化学研究所が線形加速器をアップグレードしている間にサイクロトロンで始まり、アップグレードは2020年に完了した。[35]最初のイベントが観測されるまで、両方の装置で照射を続けることができる。実験は現在、少なくとも年間100日間断続的に実行されている。[36] [33]理化学研究所チームの努力は日本の天皇によって資金提供されている。[37] JINRのチームは将来、おそらく243Am + 54Cr反応を介して元素119の合成を試みることを計画しているが、正確な時期は公表されていない。[38] [39]
アンビニリウム（E120）
2006年に249 Cfと48 Caの反応でオガネソンを得ることに成功した後、ドゥブナの合同原子核研究所（JINR）のチームは、2007年3月から4月にかけて、 58 Feと244 Puの原子核から元素番号120（ウンビニリウム）を生成することを目指して同様の実験を開始しました。[40] [41]ウンビニリウムの同位体は、マイクロ秒のオーダーのアルファ崩壊半減期を持つと予測されています。[42] [43]初期分析では、元素番号120の原子は生成されなかったことが明らかになり、研究されたエネルギーでの断面積の限界 は400 fbでした。 [44]
- 244
94プ
+58
26鉄
→ 302 120* → 原子なし
ロシアチームは、反応を再度試みる前に施設をアップグレードすることを計画した。[44]
2007年4月、ドイツのダルムシュタットにあるGSIヘルムホルツ重イオン研究センターのチームは、ウラン238とニッケル64を使って元素120を作ろうと試みた。[45]
- 238
92あなた
+64
28ニ
→ 302 120* → 原子なし
原子は検出されなかったため、与えられたエネルギーでの断面積の限界は1.6 pb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回に分けて、より高い感度で実験を繰り返したが、いずれも結果は陰性で、断面積の限界は90 fbに達した。[45]
2010年6月から7月、そして2011年にも、より多くの放射性ターゲットを使用できるように機器をアップグレードした後、GSIの科学者はより非対称な核融合反応を試みた。[46]
- 248
96Cm
+54
24Cr
→ 302 120 → 原子なし
反応の変化により、元素120の合成確率が5倍になると予想された。 [47]このような反応の収率は、その非対称性に大きく依存しているからである。[28] 299 120とその娘元素 295 Ogの予測アルファ崩壊エネルギー、およびその孫元素291 Lvの実験的に知られている崩壊エネルギーと一致する3つの相関信号が観測された。しかし、これらの可能性のある崩壊の寿命は予想よりもはるかに長く、結果を確認することができなかった。[48] [49] [46]
2011年8月から10月にかけて、GSIの別のチームがTASCA施設を使用して、さらに非対称な新しい反応を試みた。[50] [31]
- 249
98参照
+50
22ティ
→ 299 120* → 原子なし
翌年、前述の249 Bk+ 50 Ti反応で元素119を作ろうとした際にも、249 Bkが249 Cfに崩壊するため、この反応は失敗に終わった。 [51] 249 Cfと50 Tiの反応は非対称性のため、やや低温ではあるが、ウンビニリウムを合成するための最も好ましい実用的な反応であると予測された。ウンビニリウム原子は特定されなかったため、限界断面積は200 fbとなる。[31]イェンス・フォルカー・クラッツは、これらの反応のいずれかで元素120を生成するための実際の最大断面積は約0.1 fbであると予測した。[52]比較すると、成功した反応の最小断面積の世界記録は、209 Bi( 70 Zn,n) 278 Nhの反応の30 fbであり、[28] Kratzは隣接する元素119を生成するための最大断面積が20 fbであると予測しました。[52]これらの予測が正確であれば、元素119の合成は現在の技術の限界に達し、元素120の合成には新しい方法が必要になります。[52]
2021年5月、JINRは新施設で249 Cf+ 50 Ti反応を調査する計画を発表した。しかし、 249 Cfターゲットは米国のオークリッジ国立研究所で製造する必要があり、 [53] 2022年2月にロシアのウクライナ侵攻が始まった後、制裁によりJINRと他の研究所との協力は完全に停止した。[54]その結果、JINRは現在、代わりに248 Cm+ 54 Cr反応を試すことを計画している。54 Cr弾頭の使用のための準備実験は2023年後半に行われ、238 U+ 54 Cr反応で288 Lvの合成に成功し、 [55] 2025年までに元素120の合成実験が開始されることが期待されている。[56]
2022年からは[34] 、米国カリフォルニア州バークレーのローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）の88インチサイクロトロンを使用して、50Tiの弾頭を使用した新元素の生成を試みることも計画されている。[57] [58]まず、244 Pu+ 50 Ti反応がテストされ、 2024年に290 Lvの原子2個を生成することに成功した。これが成功したため、2025年には249 Cf+ 50 Ti反応で元素120を生成する試みが開始される予定である。 [59] [60] [61]以前JINRと協力したローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）は、このプロジェクトでLBNLと協力する。[62]
ウンビウニウム（E121）
元素 121 (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シュヴェリオネンフォルシュング研究所でウラン 238のターゲットに銅-65 イオンを衝突させることによって初めて試みられました。
- 238
92あなた
+65
29銅
→ 303 121* → 原子なし
原子は特定されなかった。[11]
ウンビビウム（E122）
元素番号122 （ウンビビウム）を合成する最初の試みは、 1972年に合同原子核研究所（JINR）のフレロフらによって、重イオン誘起高温核融合反応を用いて行われた。 [10]
- 238
92あなた
+66,68
30亜鉛
→ 304, 306 122* → 原子なし
これらの実験は、 N = 184およびZ > 120に安定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、収量限界は5 nb（5,000 pb）と測定された。現在の結果（フレロビウムを参照）は、これらの実験の感度が少なくとも3桁低すぎることを示している。[12]
2000 年に、Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) ヘルムホルツ重イオン研究センターは、非常に高い感度で非常によく似た実験を実施しました。[10]
- 238
92あなた
+70
30亜鉛
→ 308 122* → 原子なし
これらの結果は、このような重い元素の合成が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改善が必要であることを示しています。 今後、より質の高い結果を得るためには、 感度を 1 fbまで上げる必要があります。
1978年にGSIヘルムホルツセンターで、天然のエルビウムターゲットにキセノン136イオンを照射するという、元素122の合成に失敗した別の試みが行われた。[10]
- ナット
68えー
+136
54ゼ
→ 298、300、302、303、304、306 122* → 原子なし
特に、170 Er と136 Xe の反応では、半減期がマイクロ秒のアルファ放射体が生成され、フレロビウムの同位体に崩壊すると予想された。フレロビウムは安定島の中心付近にあると予測されているため、半減期はおそらく数時間にまで延びる。12 時間の照射後、この反応では何も発見されなかった。238 U と 65 Cu から元素 121 を合成する同様の失敗した試みの後、超重原子核の半減期は 1 マイクロ秒未満でなければならない、そうでなければ断面積が非常に小さいという結論が下された。[63]超重元素の合成に関する最近の研究では、両方の結論が正しいことが示唆されている。[28] [64] 1970 年代の元素 122 の合成の 2 つの試みは、どちらも超重元素が自然発生的である可能性があるかどうかを調べる研究によって推進された。[10]
2000年から2004年にかけて、フレロフ原子核反応研究所で、 306 122*などのさまざまな超重複合原子核の核分裂特性を調べる実験がいくつか行われた。248 Cm + 58 Feと242 Pu + 64 Niの2つの原子核反応が使用された。 [10]結果から、超重原子核が主に132 Sn（Z = 50、N = 82）などの閉殻原子核を放出することによって核分裂することが明らかになった 。また、核融合-核分裂経路の収率は48 Caと58 Feの発射体で同様であることがわかり、 58 Feの発射体が将来、超重元素の形成に使用される可能性があることを示唆している。[65]
アンビクアディウム（E124）
GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds)の科学者たちは、 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、この領域での殻効果を調べ、次の球状陽子殻を特定しようとしました。これは、完全な核殻 (または、同等に、陽子または中性子の魔法数) を持つことで、そのような超重元素の核にさらなる安定性が与えられ、安定の島に近づくためです。2006 年に、チームは天然ゲルマニウムターゲットにウランイオンを 衝突させる反応の結果を提供し、2008 年に完全な結果を発表しました。
- 238
92あなた
+ナット
32ゲ
→ 308, 310, 311, 312, 314 124* →核分裂
研究チームは、半減期が 10 −18秒を超える複合核分裂を特定できたと報告した。この結果は、Z = 124 で強力な安定化効果があることを示唆しており、次の陽子殻は、これまで考えられていたZ = 114 ではなく、Z > 120 にあることを示唆している。複合核とは、まだ核殻に整列していない核子の緩い組み合わせである。内部構造はなく、標的核と入射核の衝突力によってのみ結合している。 核子が核殻に整列するには約 10 −14秒かかると推定されており、その時点で複合核は核種になり、この数字は、主張されている同位体が発見されたと認識される可能性のある最小半減期としてIUPACによって使用されている。したがって、GANIL 実験は元素 124の発見とはみなされない。[10]
複合原子核312 124の核分裂は、2006年にイタリアのレグナーロ国立研究所のタンデムALPI重イオン加速器でも研究された。[66]
- 232
90の
+80
34セ
→ 312 124* →核分裂
JINR（合同原子核研究所）で行われた以前の実験と同様に、核分裂片は132 Sn（Z = 50、N = 82）などの二重魔法核の周りに集まっており、超重核が核分裂でそのような二重魔法核を排出する傾向があることが明らかになりました。[65] 312 124複合核からの核分裂あたりの平均中性子数（より軽いシステムと比較して）も増加していることがわかりました。これは、より重い核が核分裂中に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を裏付けています。[66]
ウンビペンチウム（E125）
元素番号125（ウンビペンチウム）を合成する最初で唯一の試みは、1970年から1971年にかけて、亜鉛イオンとアメリシウム243をターゲットとしてドゥブナで行われた。[12]
- 243
95午前
+66, 68
30亜鉛
→ 309, 311 125* → 原子なし
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 約126およびN 約184付近の原子核の安定性が高まる可能性があることを動機として行われたが[12]、最近の研究では、安定領域はより低い原子番号（コペルニシウム、Z = 112など）にある可能性があり、元素125などのより重い元素の合成にはより感度の高い実験が必要になることが示唆されている。[28]
ウンビヘキシウム（E126）
元素番号126 （ウンビヘキシウム）を合成する最初で唯一の試みは、1971年にCERN （欧州原子核研究機構）のルネ・ビンボットとジョン・M・アレクサンダーによって高温核融合反応を用いて行われたが、失敗に終わった。[10]
- 232
90の
+84
36クル
→ 316 126* → 原子なし
高エネルギー（13～15 MeV）のアルファ粒子が観測され、元素126の合成の証拠として考えられた。その後のより高い感度での失敗した実験は、この実験の10 mbの感度が低すぎたことを示唆しており、したがって、この反応で元素126の核が形成される可能性は非常に低い。[8]
ウンビセプティウム（E127）
元素番号127（アンビセプティウム）を合成する最初で唯一の試みは、1978年にGSIヘルムホルツセンターのUNILAC加速器で行われ、天然タンタルターゲットにキセノン-136イオンを照射して失敗した。 [10]
- ナット
73タ
+136
54ゼ
→ 316, 317 127* → 原子なし
自然の中での探索
1976年にアメリカの複数の大学の研究者グループが行った研究では、原始的な超重元素、主にリバモリウム、元素番号124、126、127が鉱物の原因不明の放射線損傷（特に放射性ハロー）の原因である可能性があると提唱された。[8]このことがきっかけで、1976年から1983年にかけて多くの研究者が自然界でこれらの元素を探すことになった。カリフォルニア大学デービス校の教授トム・ケイヒルが率いるグループは1976年に、観察された損傷を引き起こすのに適切なエネルギーを持つアルファ粒子とX線を検出し、これらの元素の存在を裏付けたと主張した。特に、元素番号124と126の長寿命（10 9年のオーダー）の原子核とその崩壊生成物が、同族である可能性のあるウランとプルトニウムに比べて10 −11の割合で存在すると推測された。[67]他には、何も検出されていないと主張し、原始的超重原子核の提案された特性に疑問を呈した。[8]特に、彼らは、そのような超重原子核はN = 184またはN = 228で中性子殻が閉じている必要があり、安定性を高めるためのこの必要条件は、リバモリウムの中性子不足同位体または他の元素の中性子過剰同位体にのみ存在し、ほとんどの天然同位体とは異なりベータ安定ではない[8]と主張した。[68]この活動は天然セリウムの核変換によって引き起こされるという提案もあり、この超重元素の観測の主張にさらなる曖昧さが生じている。[8]
2008年4月24日、エルサレムのヘブライ大学のアムノン・マリノフ率いるグループは、天然のトリウム鉱床でトリウムに対して10 −11から 10 −12の存在率で292 122の単一原子を発見したと主張した。 [69]マリノフらの主張は科学界の一部から批判された。マリノフは、この論文をネイチャー誌とネイチャー・フィジックス誌に投稿したが、両誌とも査読に回さずに却下したと主張した。[70] 292 122の原子は、半減期が少なくとも1億年の超変形または超変形異性体であると主張された。 [10]
質量分析法によって軽いトリウム同位体を特定するために以前使用されていたこの技術に対する批判[71]が、2008年にPhysical Review Cに掲載されました。 [72]このコメントが掲載された後、マリノフグループによる反論がPhysical Review Cに掲載されました。 [73]
加速器質量分析法（AMS）という優れた方法を使用してトリウムの実験を再度行ったところ、感度が100倍向上したにもかかわらず、結果を確認することができませんでした。[74]この結果は、トリウム、[71]、 レントゲン[75]、および元素122の長寿命同位体に関するマリノフ共同研究の結果にかなりの疑問を投げかけています。[69]一部のトリウムサンプルにのみウンビウムの痕跡が存在する可能性はありますが、これはありそうにありません。[10]
今日の地球上に原始的超重元素がどの程度存在するかは不明である。たとえそれらがはるか昔に放射線障害を引き起こしたことが確認されたとしても、それらは今では痕跡量にまで崩壊しているか、あるいは完全に消滅している可能性がある。[76]また、そのような超重原子核が自然に生成されるかどうかも不明である。なぜなら、質量数270から290の間では、自発的核分裂によって重元素形成の原因となるr過程が終了すると予想されており、これは120を超える元素が形成されるよりかなり前である。[77]
最近の仮説では、プシビルスキーの星のスペクトルを天然に存在するフレロビウムと元素番号120によって説明しようと試みている。 [78] [79] [80]
第8周期元素の予測特性
元素番号 118 のオガネソンは、合成された元素の中で最も重い。次の 2 つの元素、元素番号 119と120 は8s 系列を形成し、それぞれアルカリ金属とアルカリ土類金属である。元素番号 120 を超えると、8s 電子と 8p 1/2、7d 3/2 、6f、および 5g サブシェルの充填によってこれらの元素の化学的性質が決まる、スーパーアクチノイド系列が始まると予想される。122 を超える元素については、状況が極めて複雑であるため、完全で正確なCCSD計算は利用できない。5g、6f、および 7d 軌道はほぼ同じエネルギーレベルを持ち、元素番号 160 の領域では、9s、8p 3/2、および 9p 1/2軌道もほぼ同じエネルギーを持つはずである。これにより電子殻が混ざり、ブロック概念がうまく適用できなくなり、また、新しい化学的性質が生じ、これらの元素の一部を周期表に配置することが非常に困難になります。[15]
化学的および物理的性質
元素番号119と120
周期 8 の最初の 2 つの元素は、ウンウンニウムとウンビニリウム、つまり元素番号 119 と 120 です。これらの電子配置では、8s 軌道が満たされているはずです。この軌道は相対論的に安定し、収縮しています。したがって、元素番号 119 と 120 は、そのすぐ上の隣の元素であるフランシウムとラジウムよりも、ルビジウムとストロンチウムに似ています。8s 軌道の相対論的収縮のもう 1 つの効果は、これら 2 つの元素の原子半径がフランシウムとラジウムの原子半径とほぼ同じになることです。これらは通常のアルカリ金属やアルカリ土類金属のように振る舞うはずである（ただし、垂直に隣接する元素よりも反応性が低い）。通常はそれぞれ+1と+2の酸化状態を形成するが、7p 3/2サブシェルの相対論的不安定化と7p 3/2電子の比較的低いイオン化エネルギーにより、+3や+4（それぞれ）のようなより高い酸化状態も可能になるはずである。[4] [15]
スーパーアクチニド
超アクチノイド元素は121番元素から157番元素までの範囲に及び、これらは第8周期の5g元素と6f元素、および最初の7d元素として分類されます。[18]超アクチノイド系列では、7d 3/2、8p 1/2、6f 5/2、および5g 7/2殻がすべて同時に満たされるはずです。[16]これにより状況は非常に複雑になり、完全で正確な CCSD 計算は元素 121 と 122 についてのみ行われています。[15]最初の超アクチニドであるウンビウニウム(元素 121) は、ランタンやアクチニウムに似ているはずです。[81]主な酸化状態は +3 ですが、原子価サブシェルのエネルギー レベルが近いため、元素 119 と 120 の場合と同様に、より高い酸化状態になることがあります。[15] 8p サブシェルの相対論的安定化により、元素 121 の基底状態は、ランタンとアクチニウムの ds 2配置とは対照的に、 8s 2 8p 1価電子配置になります。 [15]ただし、この異常な配置は計算された化学反応には影響しないようで、アクチニウムと似たままです。[82]その第一イオン化エネルギーは429.4 kJ/molと予測されており、これはアルカリ金属のカリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムを除くすべての既知の元素よりも低い。この値は、第8周期のアルカリ金属ウンウンニウム（463.1 kJ/mol）よりもさらに低い。同様に、次のスーパーアクチノイドであるウンビビウム（元素番号122）は、セリウムやトリウムに似ており、主な酸化状態は+4であるが、基底状態の価電子配置は7d 1 8s 2 8p 1または8s 2 8p 2であり、 [83]トリウムの6d 2 7s 2配置とは異なります。したがって、その第一イオン化エネルギーはトリウム（Th: 6.3 eV、元素番号122: 5.6 eV）よりも小さくなる。これは、アンビウムの8p 1/2電子がトリウムの6d電子よりもイオン化し易いためである。[15] 5g軌道自体の崩壊は元素番号125付近まで遅れる。119電子等電子系列の電子配置は、元素番号119から122では[Og]8s 1 、[Og]6f 元素番号123と124の場合は1、元素番号125以降の場合は[Og]5g 1である。[84]
最初のいくつかの超アクチノイドでは、追加された電子の結合エネルギーは、それらの価電子をすべて失うことができるほど小さいと予測されています。たとえば、ウンビヘキシウム（元素番号126）は簡単に+8の酸化状態を形成でき、次のいくつかの元素ではさらに高い酸化状態になる可能性もあります。元素番号126は、他のさまざまな酸化状態を示すことも予測されています。最近の計算では、元素番号126の5g軌道とフッ素の2p 軌道間の結合相互作用の結果として、 安定した一フッ化物126Fが可能であることが示唆されています。[85]予測される他の酸化状態には、+2、+4、および+6があります。+4は、ウンビヘキシウムの最も一般的な酸化状態であると予想されます。[16]ウンビペンチウム（元素番号125）からウンビエンニウム（元素番号129）までの超アクチニドは+6の酸化状態を示し、六フッ化物を形成すると予測されるが、125F 6と126F 6は比較的弱い結合であると予測される。[84]結合解離エネルギーは元素番号127で大幅に増加し、元素番号129ではさらに増加すると予想される。これは、元素番号125のフッ化物の強いイオン性から、元素番号129のフッ化物の8p軌道を含むより共有結合性への移行を示唆している。これらの超アクチニド六フッ化物の結合は、主に超アクチニドの最も高い8pサブシェルとフッ素の2pサブシェルの間で行われ、ウランが六フッ化ウランの結合に5f軌道と6d軌道を使用するのとは異なります。[84]
初期のスーパーアクチニドは高い酸化状態に達する能力があるにもかかわらず、5g電子が最もイオン化されにくいと計算されている。125 6+および126 7+イオンは、 Np 6+イオンの5f 1配置に似た5g 1配置をとると予想される。[13] [84]同様の挙動は、ランタノイドの 4f 電子の低い化学活性にも見られる。これは、5g 軌道が小さく、電子雲に深く埋もれている結果である。[13]現在知られているどの元素の基底状態の電子配置にも存在しない g 軌道の電子の存在により、現在未知の混成軌道が形成され、スーパーアクチニドの化学に新しい形で影響を与える可能性がある。ただし、既知の元素にはg電子がないため、スーパーアクチニドの化学を予測することはより困難である。[4]
後のスーパーアクチニドでは、酸化状態はより低くなるはずです。元素 132 では、支配的な最も安定した酸化状態は +6 のみになります。これは、元素 144 では +3 と +4 にさらに減少し、スーパーアクチニドシリーズの最後では +2 (場合によっては 0) のみになります。これは、その時点で満たされている 6f 殻が電子雲の奥深くにあり、8s 電子と 8p 1/2電子が化学的に活性になるには結合が強すぎるためです。5g 殻は元素 144 で満たされ、6f 殻は元素 154 付近で満たされるはずです。スーパーアクチニドのこの領域では、8p 1/2電子が化学的に活性にならないほど強く結合しており、化学反応に参加できる電子はごくわずかです。Fricke らによる計算は、元素154では6f殻が満杯で、化学的に不活性な8s殻と8p 1/2殻の外側にはd電子やその他の電子波動関数は存在しないと予測している。このため、元素154は希ガスのような性質を持ち、むしろ反応性が低いのかもしれない。 [4] [15]それでも、Pyykköの計算では、元素155では6f殻が化学的にイオン化可能であると予想されている。155 3+は6f殻が満杯で、4番目のイオン化ポテンシャルは、+4状態で知られているテルビウムとジスプロシウムのイオン化ポテンシャルの間になるはずである。[13]
ランタノイドとアクチノイドの収縮と同様に、超アクチノイド系列では、超アクチノイドのイオン半径が予想よりも小さい場合に、超アクチノイド収縮があるはずです。ランタノイドでは、収縮は元素あたり約 4.4 pm で、アクチノイドでは元素あたり約 3 pm です。収縮は、5f 波動関数と比較して 4f 波動関数の局在化が大きいため、ランタノイドの方がアクチノイドよりも大きくなります。ランタノイド、アクチノイド、および超アクチノイドの外殻電子の波動関数と比較すると、超アクチノイドでは元素あたり約 2 pm の収縮が予測されます。これはランタノイドやアクチノイドの収縮よりも小さいですが、ランタノイドとアクチノイドのそれぞれ4f殻と5f殻に満たされる電子が14個であるのに対し、深く埋め込まれた5g殻と6f殻に満たされる電子は32個であるため、全体的な効果は大きくなります。[4]
Pekka Pyykkö はこれらの超アクチノイドを 5g シリーズ (元素番号 121 から 138)、8p 1/2シリーズ (元素番号 139 から 140)、および 6f シリーズ (元素番号 141 から 155) の 3 つのシリーズに分類し、エネルギー レベル間には大きな重複があり、6f、7d、または 8p 1/2軌道も初期の超アクチノイド原子またはイオンで占有される可能性があることにも言及しています。彼はまた、5g 電子が化学的に不活性であるという意味において、それらが「超ランタニド」のように振る舞うと予想しています。これは、各ランタニドの 4f 電子が化合物でイオン化されるのは 1 つまたは 2 つだけであるのと同様です。彼はまた、スーパーアクチニドの可能な酸化状態が6f系列で非常に高くなり、例えば元素番号148の+12のような値になるかもしれないと予測した。[13]
アンドレイ・クルシャは、元素番号121から156を「超遷移」元素と呼び、これを18個ずつの2つの系列、すなわち元素番号121から138までの系列と元素番号139から156までの系列に分割することを提案している。前者はランタノイドに類似しており、酸化状態は主に+4から+6の範囲である。これは、5g殻の充填が支配的で、隣接する元素が互いに非常に類似しているため、ウラン、ネプツニウム、プルトニウムに類似している。後者はアクチノイドに類似しており、初め（140番台の元素付近）は6f殻が7d殻よりも高くなるため、非常に高い酸化状態が予想されるが、その後は典型的な酸化状態が低下し、150番台以降の元素では8p 1/2電子が化学的に活性でなくなる。 2つの列は完全な5g 18サブシェルの追加によって分離されているため、それらはお互いの類似体と見なすこともできます。[19] [20]
後期超アクチニド元素の例として、元素番号156は、安定な[Og]5g 18 6f 14 8s 2 8pよりも容易に除去できる7d 2電子を持つ電子配置のため、主に+2の酸化状態を示すと予想されます。2
1/2ノーベリウムは、安定した[Rn]5f 14核の上に容易に除去できる7s 2電子のペアを持ち、通常は+2状態にある（ノーベリウムを+3状態にするには強力な酸化剤が必要である）ノーベリウムのより重い同族元素であると考えられる。[19]その第一イオン化エネルギーは約400 kJ/molで、その金属半径は約170ピコメートルである。相対原子質量は約445 uであり、[4]密度は約26 g/cm 3の非常に重い金属であるはずである。
元素番号157～166
周期表第8周期の7d遷移金属は、元素番号157から166であると予想されている。これらの元素では8sと8p 1/2電子が非常に強く結合しているため、いかなる化学反応にも関与できないはずであるが、9sと9p 1/2レベルは混成に容易に利用できると考えられる。[4] [15]これらの7d元素は、イットリウムからカドミウムまでの4d元素に類似しているはずである。[19]特に、7d 10 9s 0電子配置を持つ元素番号164は、4d 10 5s 0電子配置を持つパラジウムと明らかな類似性を示している。[16]
この遷移金属シリーズの貴金属は、遮蔽のための外殻sが存在せず、また相対論的効果により7d殻が2つのサブシェルに大きく分割されているため、より軽い同族元素ほど貴ではないと予想されます。このため、7d遷移金属の第一イオン化エネルギーは、より軽い同族元素よりも小さくなります。[4] [15] [16]
アンヘクソジウムの化学に対する理論的関心は、アンヘクソジウム、特に同位体472 164と482 164（陽子164個と中性子308または318個）が仮想の第二の安定島の中心にあるという理論的予測に大きく起因している（第一の安定島はコペルニシウムを中心としており、特に半減期が数世紀または数千年と予想される同位体291 Cn、293 Cn、296 Cnである）。 [87] [52] [88] [89]
計算によれば、元素番号 164 (アンヘキサクアジウム) の 7d 電子は化学反応に非常に容易に関与し、強い配位子を含む水溶液中で通常の +2 状態に加えて、安定した +6 および +4 の酸化状態を示すことができると予測されます。したがって、元素番号 164 は、164( CO ) 4、164( PF 3 ) 4 (どちらも対応するパラジウム化合物のように四面体)、および164( CN )のような化合物を形成できるはずです。2−2
...（直線的）であり、相対論的効果がなければ元素番号164は鉛のより重い同族体となるであろう鉛とは非常に異なる挙動を示す。しかし、水溶液中では二価状態が主な状態となる（ただし、より強い配位子では+4および+6状態も可能となる）。また、ウンヘキサクアジウム（II）はウンヘキサクアジウム（IV）やウンヘキサクアジウム（VI）よりも鉛に似た挙動を示すはずである。[15] [16]
元素番号 164 は柔らかいルイス酸であると予想され、アールランズ軟らかさのパラメータは 4 eVに近い 。反応性はせいぜい中程度で、第一イオン化エネルギーは約 685 kJ/mol で、モリブデンと同程度である。[4] [16]ランタノイド、アクチノイド、スーパーアクチノイドの収縮により、元素番号 164 の金属半径はわずか 158 pmで、はるかに軽いマグネシウムの半径に非常に近いが、予想される原子量は約 474 uで、マグネシウムの原子量の約 19.5 倍である。[4]この小さな半径と重い重量により、密度は約 46 g·cm −3と非常に高くなると予想され、現在知られている最も密度の高い元素であるオスミウムの 22.61 g·cm −3の2 倍以上である。元素番号164は、周期表の最初の172の元素の中で2番目に密度が高い元素であるはずであり、その隣のアンヘクストリウム（元素番号163）だけがそれより密度が高い（47 g·cm −3）。[4]金属元素番号164は、共有結合のため非常に大きな凝集エネルギー（結晶化エンタルピー）を持ち、おそらく高い融点をもたらす。金属状態では、元素番号164は非常に貴であり、パラジウムや白金に類似しているはずである。 Frickeらは、両方の元素が閉殻構成と類似したイオン化エネルギーを持っているため、オガネソンとのいくつかの形式的な類似性を示唆したが、オガネソンは非常に悪い希ガスであるのに対し、元素番号164は良い貴金属であると指摘している。[16]
最後の 2 つの 7d 金属である元素 165 (アンヘキペンチウム) と 166 (アンヘキヘキシウム) は、それぞれ +1 と +2 の酸化状態にあるときに、アルカリ金属とアルカリ土類金属と同様に動作するはずです。9s 電子のイオン化エネルギーは、ナトリウムとマグネシウムの 3s 電子のイオン化エネルギーに匹敵するはずです。これは、相対論的効果により、9s 電子が非相対論的計算で予測されるよりもはるかに強く結合するためです。元素 165 と 166 は通常、それぞれ +1 と +2 の酸化状態を示しますが、7d 電子のイオン化エネルギーは元素 165 の +3 のようなより高い酸化状態を許容するのに十分低いです。元素 166 の酸化状態が +4 になることはそれほど多くなく、11 族と 12 族のより軽い元素 (特に金と水銀) に似た状況を作り出します。[4] [15]コペルニシウムとは異なり、水銀と同様に、元素166から166 2+へのイオン化は、s電子の損失に対応する7d 10構成をもたらし、d電子の損失に対応しないことが予想され、より軽い「相対論的ではない」第12族元素の亜鉛、カドミウム、水銀に類似しています。[13]
元素番号167～172
周期表の次の6つの元素は、その周期における最後の主族元素になると予想されており、[13]インジウムからキセノンまでの5p元素に似ている可能性が高い。[19]元素167から172では、9p 1/2殻と8p 3/2殻が満たされる。それらのエネルギー固有値は非常に近いため、非相対論的な2pサブシェルと3pサブシェルと同様に、1つの結合したpサブシェルとして動作する。したがって、不活性対効果は発生せず、元素167から170の最も一般的な酸化状態は、それぞれ+3、+4、+5、および+6になると予想される。元素171（アンセプツニウム）は、ハロゲンといくつかの類似点を示し、-1から+7までのさまざまな酸化状態を示すが、その物理的特性は金属に近いと予想される。その電子親和力は 3.0 eVと予想され 、ハロゲン化水素に類似した H171 を形成できる。171 −イオンはヨウ化物(I − )に匹敵するソフト塩基であると予想される。元素 172 (アンセプビウム) は、イオン化エネルギーが非常に似ている (Xe、1170.4 kJ/mol、元素 172、1090 kJ/mol) ため、キセノンと化学的挙動が似ている希ガスであると予想される。それらの唯一の主な違いは、元素 172 はキセノンとは異なり、原子量がはるかに大きいため、標準温度および圧力で液体または固体であると予想されることです。 [4]アンセプビウムは、より軽い同族体であるキセノンと同様に、フッ化物と酸化物を形成する強力なルイス酸であると予想されます。 [16]
元素番号165～172は周期表の第2、第3周期と類似しているため、フリッケらはこれらを周期表の第9周期とみなし、第8周期は貴金属元素164で終わるものとした。この第9周期は遷移金属を含まない点で第2、第3周期と似ている。[16]とはいえ、元素番号165と166についてはこの類似性は不完全である。これらは新しいs殻（9s）を開始するが、これはd殻の上にあるため、化学的には第11族および第12族に似ている。[17]
要素172を超えて
172番元素を超えると、6g、7f、8d、10s、10p 1/2、そしておそらく6h 11/2殻を満たす可能性があります。これらの電子は非常に緩く結合しているため、非常に高い酸化状態に達する可能性がありますが、イオン電荷が増加するにつれて電子はより強く結合します。したがって、おそらくスーパーアクチニドのような別の非常に長い遷移系列が存在するでしょう。[16]
元素番号173（アンセプトリウム）では、最外殻電子は6g 7/2、9p 3/2、または10sサブシェルに入る可能性がある。スピン軌道相互作用により、これらのサブシェルと8p 3/2サブシェルの間に非常に大きなエネルギーギャップが形成されるため、この最外殻電子は非常に緩く結合し、非常に簡単に失われて173 +陽イオンを形成すると予想される。その結果、元素番号173は化学的にアルカリ金属のように振舞い、セシウムよりもはるかに反応性が高い可能性がある（フランシウムと元素番号119は相対論的効果によりセシウムよりも反応性が低い）ことが予想される。[90] [19]計算された元素番号173のイオン化エネルギーは3.070 eVであり、[91]セシウムの実験的に知られているイオン化エネルギーは3.894 eVである。元素番号174（アンセプクアジウム）は8d電子を付加して閉殻174 2+陽イオンを形成する可能性があり、計算されたイオン化エネルギーは3.614 eVである。[91]
元素番号184（ウノクトクアジウム）は、当初184が陽子の魔法数であると推測されていたため、初期の予測で大きなターゲットとなっていました。この元素の電子配置は[172] 6g 5 7f 4 8d 3で、少なくとも7fと8dの電子が化学的に活性であると予測されています。その化学的挙動はウランやネプツニウムに似ていると予想されており、+6状態を超えてイオン化（6g電子の除去に相当）しても利益は得られないでしょう。+4状態は水溶液で最も一般的であり、+5と+6は固体化合物で到達可能です。[4] [16] [92]
周期表の終わり
物理的に存在可能な元素の数は不明である。低い推定では、周期表は安定島のすぐ後に終わるかもしれない。安定島はZ = 126を中心とすることが予想される[14] 。これは、周期表と核種表 の拡張が陽子と中性子のドリップライン、およびアルファ崩壊と自発核分裂に対する安定性によって制限されるためである。[93] Y. Gambhirらによる計算では、さまざまな崩壊チャネルにおける核結合エネルギーと安定性を分析し、結合核の存在にはZ = 146の限界があることを示唆している。 [94]周期表の終わりを予測する他のものには、 Z = 128 ( John Emsley ) とZ = 155 (Albert Khazan) がある。[10]
原子番号137以上の元素
物理学者の間では、リチャード・ファインマンが、原子番号Z = 137より大きい原子では中性原子は存在できないと示唆したという「民間伝説」がある。これは相対論的 ディラック方程式によれば、そのような原子の最も内側の電子の基底状態エネルギーは虚数となると予測されるからである。ここで、137 という数字は微細構造定数の逆数として生じる。この議論によれば、中性原子は原子番号 137 を超えて存在できないため、電子軌道に基づく元素周期表はこの時点で破綻する。しかし、この議論は原子核が点状であると仮定している。より正確な計算では、原子核のサイズが小さいがゼロではないことを考慮に入れる必要があり、これにより限界はZ ≈ 173まで押し上げられると予測されている。 [95]
ボーアモデル
ボーアモデルは原子番号137以上の原子に対しては困難を呈する。1s電子軌道上の電子の速度vは次のように与えられるからである。
ここで、Zは原子番号、αは微細構造定数であり、電磁相互作用の強さの尺度である。[96]この近似によれば、原子番号が137より大きい元素では、1s電子が光速cよりも速く移動する必要がある。したがって、非相対論的ボーアモデルをそのような元素に適用すると不正確になる。
相対論的ディラック方程式
相対論的 ディラック方程式は基底状態のエネルギーを次のように与える。
ここで、m は電子の静止質量である。[97] Z > 137の場合 、ディラック基底状態の波動関数は結合しているのではなく振動しており、クラインのパラドックスのように正と負のエネルギースペクトルの間にギャップはない。[98]原子核の有限サイズの効果を考慮したより正確な計算では、結合エネルギーがZ > Z crに対して最初に 2 mc 2を超えるのはおそらく 168 から 172 の間であることが示唆されている。 [99] Z > Z crの場合、最も内側の軌道 (1s) が満たされていないと、原子核の電場が電子を真空から引き抜き、陽電子が自然放出される。[100] [101] 1sサブシェルの負の連続体への潜入は、周期表の「終わり」を構成するとよく考えられてきたが、[13] [95] [102]実際にはそのような制限は課されず、そのような共鳴はガモフ状態として解釈できる。しかし、計算と周期表をZ cr ≈ 172を超えて拡張するために必要な、多電子系におけるそのような状態の正確な記述は、 まだ未解決の問題である。[99]
原子番号がZ cr ≈ 172 を超える原子は、超臨界原子 と呼ばれています。超臨界原子は、1s サブシェルが自発的な対生成によって満たされるため、完全にイオン化することはできません。この対生成では、負の連続体から電子と陽電子の対が生成され、電子が結合し、陽電子が逃げます。ただし、原子核の周りの強いフィールドは空間の非常に小さな領域に制限されているため、パウリの排他原理により、負の連続体に飛び込んだサブシェルが満たされると、それ以上の自発的な対生成は禁止されます。元素番号 173 ～ 184 は、1s シェルのみが負の連続体に飛び込んでいるため、弱い超臨界原子と呼ばれています。 2p 1/2殻は元素番号 185 の周囲で結合し、2s 殻は元素番号 245 の周囲で結合すると予想される。これまでの実験では、重い原子核の衝突による超臨界電荷の集合から生じる自発的な対生成を検出することに成功していない (例えば、鉛とウランを衝突させると、瞬間的に有効Zが 174 になる。ウランとウランを衝突させると有効Z が 184 になり、ウランとカリホルニウムを衝突させると有効Z が 190 になる)。[103]
Z crを超えても元素が存在できなくなるわけではないが、原子核に近い1s密度の集中度が増すと、Z crに近づくにつれてこれらの電子はK電子捕獲に対してより脆弱になる可能性が高い。このような重い元素の場合、これらの1s電子は原子核に非常に近い時間、つまり実際に原子核の中にいる状態でかなりの時間を過ごす可能性が高い。これは周期表に別の制限をもたらす可能性がある。[104]
mの係数により、ミューオン原子は電子の約207倍の重さがあるため、原子番号が2200前後とはるかに大きいときに超臨界状態になります。[ 99 ]
クォーク物質
また、 A > 300 を超える領域では、陽子と中性子に束縛されたクォークではなく、自由に流れるアップクォークとダウンクォークからなる、安定したクォーク物質の仮説的な相からなる「安定大陸」全体が存在する可能性があると仮定されている。このような物質形態は、重粒子あたりの結合エネルギーが核物質よりも大きい重粒子物質の基底状態であると理論化されており、この質量閾値を超えると核物質がクォーク物質に崩壊しやすくなる。この物質状態が存在する場合、通常の超重核につながる同じ核融合反応で合成される可能性があり、クーロン反発を克服するのに十分な強力な結合の結果として、核分裂に対して安定化されるだろう。[105]
2020年に発表された計算[106]は、アップダウンクォーク物質（udQM）ナゲットがA ~ 266を超える従来の原子核に対して安定していることを示唆しており、udQMナゲットが従来の原子核（Z cr ~ 177、A ~ 480）よりも早く超臨界状態になる（Z cr ~ 163、A ~ 609）ことも 示しています。
核特性
超重原子核の予測される半減期（上）と崩壊モード（下）。合成された陽子過剰原子核の線は、Z = 120 の直後に途切れると予想される。これは、 Z = 121からの半減期が 1 マイクロ秒未満であること、 Z = 122以降はアルファ崩壊ではなく自発核分裂の寄与が増加し、Z = 125からはそれが優勢になること、およびZ = 130付近の陽子ドリップ ラインによるものである。白いリングは安定島の予想される位置を示す。白で囲まれた 2 つの四角は291 Cnと293 Cn を示す。これらは、島で最も長寿命の核種で、半減期が数世紀または数千年になると予測されている。[64] 2枚目の写真の下部にある黒い四角はウラン238で、確認されている最も重い原始核種（地球形成から現在まで生き残っているほど安定した核種）です。
魔法の数字と安定の島
原子核の安定性は、元素番号96のキュリウム以降、原子番号の増加とともに大幅に低下するため、原子番号101を超えるすべての同位体は、 半減期が1日未満で放射性崩壊します。原子番号82を超える元素（鉛に次ぐ）には、安定同位体はありません。[107]ただし、まだ十分に理解されていない理由により、原子番号110～114付近で核の安定性がわずかに増加し、原子物理学で「安定の島」と呼ばれるものの出現につながります。カリフォルニア大学のグレン・シーボーグ教授によって提唱されたこの概念は、超重元素が予測よりも長く続く理由を説明しています。[108]
非相対論的スカイム相互作用を用いたハートリー・フォック・ボゴリュボフ法による計算では、陽子閉殻 としてZ = 126 が提案されている。周期表のこの領域では、中性子閉殻としてN = 184、N = 196、およびN = 228 が提案されている。したがって、最も興味深い同位体は310 126、322 126、および354 126 であり、これらは他の同位体よりもかなり長寿命である可能性がある。陽子の魔法数を持つ元素 126 は、この領域の他の元素よりも安定していると予測され、半減期が非常に長い核異性体を持つ可能性がある。[76]安定の島が代わりに306 122を中心としている可能性があり、これは球形で二重魔法数である可能性がある。[52]おそらく、安定の島はZ = 114–126、N = 184付近で発生し、寿命はおそらく数時間から数日程度です。N = 184で殻が閉じると、自発核分裂の寿命は10 −15秒 以下に大幅に低下します。これは、原子核が電子雲を獲得して化学反応を起こすには短すぎます。とはいえ、このような寿命はモデルに大きく依存し、予測には桁違いの差があります。[99]
原子核の変形と相対論的効果を考慮に入れると、単一粒子レベルの解析から、Z = 126、138、154、164、N = 228、308、318の超重原子核に新しい魔法数が予測される。[9] [87]したがって、 291 Cn、293 Cn、[28]、298 Flを中心とする安定の島に加えて、二重魔法数の354 126や472 164、482 164の周囲にもさらなる安定の島が存在する可能性がある。[88] [89]これらの原子核はベータ安定で、比較的長い半減期でアルファ放出または自発核分裂によって崩壊し、それぞれ隣接するN = 228同位体と元素152〜168に追加の安定性を与えると予測される。[109]一方、同じ分析から、354 126 などの一部のケースでは陽子殻閉鎖が比較的弱いか、まったく存在しない可能性があることが示唆されており、これは、そのような原子核が二重魔法ではない可能性があり、安定性は主に強い中性子殻閉鎖によって決定されることを意味します。[87]さらに、 2 番目の島 ( Z = 164)での強い力が克服しなければならない電磁反発力が非常に大きいため、 [110]この領域の周りの原子核は共鳴としてのみ存在し、意味のある時間一緒にいることができない可能性があります。 また、これらのシリーズ間のスーパーアクチニドの一部は、両方の島から遠すぎるために実際には存在しない可能性があり、[110]その場合、周期表はZ = 130付近で終了する可能性があります。 [16]周期性が停止している元素 121～156 の領域は、2 つの島の間のギャップと非常に似ています。[19]
元素番号164を超えると、自発核分裂に対する安定性の限界を定義する核分裂線が中性子ドリップラインと収束し、より重い元素の存在に制限が課される可能性がある。[109]それにもかかわらず、 Z = 210、274、354、N = 308、406、524、644、772でさらなる魔法数が予測されており、 [111] 616 210と798 274に2つのベータ安定な二重魔法核が見つかっている。同じ計算方法で、 298 Fl と472 164の予測が再現されました。 ( Z = 354 で予測される二重魔法核はベータ不安定で、998 354 は中性子不足、1126 354 は中性子過剰です。) 616 210 と798 274 ではアルファ崩壊と核分裂に対するさらなる安定性が予測され、 616 210の半減期は最大数百マイクロ秒ですが、[111] Z = 114 と 164で予測されるほど重要な安定の島は存在しません。 超重元素の存在は閉殻からの安定化効果に非常に強く依存するため、これらの安定の島の向こう側では、核不安定性と核分裂が周期表の終わりを決定する可能性が高いでしょう。[16] [94] [109]
国際純正応用化学連合（IUPAC）は、原子核が電子雲を形成するのにかかる時間である10 −14秒より長い寿命を持つ元素が存在すると定義しています。しかし、核種は一般的に、原子核構造が形成されるのにかかる時間である約10 −22秒より長い寿命を持つ核種が存在するとみなされます。したがって、一部のZ値は核種でのみ実現され、対応する元素が存在しない可能性があります。 [104]
また、原子核殻構造がぼやけてしまい（電子殻構造はすでにオガネソン付近にあると予想されるため）、低エネルギー崩壊モードが容易に利用可能になるため、126を超える島は実際には存在しない可能性もあります。[112]
核種表のいくつかの領域では、球形核とは異なる魔法数を持つ非球形核のために、追加の安定領域が存在することが予想されます。卵形の270 Hs ( Z = 108、N = 162)は、そのような変形した二重魔法数核の 1 つです。[113]超重核領域では、陽子の強いクーロン反発により、オガネソン同位体を含む一部の核は、ほとんどの小さな核内部のおおよそ均一な分布とは異なり、基底状態で陽子の中心密度が減少した泡のような形状をとる可能性があります。[114] [115]しかし、そのような形状では核分裂障壁が非常に低くなります。[116] 342 136や466 156などの一部の領域のさらに重い原子核は、独自の魔法数と安定の島を持ち、代わりに環状または赤血球のような形になる可能性があるが、それらも簡単に断片化するだろう。[117] [118]
未発見元素の崩壊特性の予測
安定の主な島は291 Cn と293 Cn付近にあると考えられているため、オガネソンより外側の未発見の元素は非常に不安定で、マイクロ秒かそれ以下でアルファ崩壊または自発核分裂を起こす可能性がある。半減期が 1 マイクロ秒を超える正確な領域は不明であるが、さまざまなモデルから、利用可能なターゲットと入射物による核融合反応で生成される可能性のあるウンビニリウムより重い元素の同位体は半減期が 1 マイクロ秒未満であり、したがって検出されない可能性があることが示唆されている。 [64] N = 184 とN = 228、またおそらくZ ~ 124 とN ~ 198 に安定領域が存在することが一貫して予測されている。これらの原子核は半減期が数秒で、主にアルファ崩壊と自発核分裂を起こす可能性があるが、ベータプラス崩壊(または電子捕獲) の分岐もわずかに存在する可能性がある。[119]これらの安定性が強化された領域の外では、安定化効果が失われるため核分裂障壁が大幅に低下すると予想され、その結果、核分裂半減期は10 −18秒未満になります。特に、核子対形成により障害がさらに低い偶数-偶数核ではその傾向が顕著です。[109]一般に、アルファ崩壊の半減期は中性子数とともに増加すると予想され、最も中性子が不足している同位体ではナノ秒ですが、ベータ安定線に近づくと数秒になります。[43]魔法数よりも数個多い中性子しか持たない核では、結合エネルギーが大幅に低下し、この傾向が一転して半減期が短くなります。[43]これらの元素の最も中性子が不足している同位体は、結合せず陽子放出を受ける可能性もあります。クラスター崩壊（重粒子放出）もいくつかの同位体の代替崩壊モードとして提案されており、[120]これらの元素の同定に新たな障害をもたらしている。
電子配置
以下は元素番号 119～174 と 184 の予想される電子配置です。記号 [Og] は、現在最後の既知の元素であるオガネソン (Z = 118) の推定電子配置を示します。この表の元素の配置は [Og] から始まって書かれています。これは、オガネソンが閉殻 (不活性ガス) 配置を持つ最後の先行元素であると予想されるためです。 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 5f 14 6s 2 6p 6 6d 10 7s 2 7p 6。同様に、元素173、174、184の構成における[172]は、元素172の閉殻構成の可能性を示しています。
元素番号123以降については完全な計算は行われていないため、この表のデータは暫定的なものとして受け止めなければならない。[16] [90] [121]元素番号123、そしておそらくより重い元素の場合も、いくつかの可能な電子配置が非常に類似したエネルギーレベルを持つことが予測されるため、基底状態を予測することは非常に困難である。提案されているすべての配置（マデルング則はおそらくここで機能しなくなると理解されているため）が含まれている。[83] [121] [122]
172番までの予測ブロックの割り当てはクルシャのものであり、[21]予想される利用可能な価電子軌道に従っています。しかし、元素138以降のブロックがどのように機能するかについては文献で合意が得られていません。
参照
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システムを調整する作業はまだたくさんあります。先走りたくはありませんが、すべてのモデル実験をうまく実施できれば、元素120の合成に関する最初の実験はおそらく今年開始されるでしょう。
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В этом году мы фактически заверлаем подготовительную серию экспериментов по отладке всех режимов ускорителя 120 分から 120 分です。 Научились получать высокие интенсивности ускоренного хрома и титана. Научились детектировать сверхтяжелые одиночные атомы в реакциях с минимальным сечением. Теперь ждем, когда закончится наработка материала для мизени на реакторах и сепараторах у назих партнеров в «Росатоме» и в США: кюрий、берклий、калифорний。 Надеюсь、2025 年。 120 時間以内に到着します。
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