超重元素

超重原子核^{[ a ]} は、大きさが異なる2つの原子核^{[ b ]}が1つに結合する核反応で生成されます。おおよそ、2つの原子核の質量の差が大きいほど、2つの原子核が反応する可能性が高くなります。^{[ 15 ]}重い原子核でできた物質を標的にし、軽い原子核のビームを照射します。2つの原子核は、互いに十分近い場合にのみ融合して1つになります。通常、原子核（すべて正に帯電）は静電反発により互いに反発します。強い相互作用はこの反発を克服できますが、原子核から非常に短い距離に限られます。そのため、ビーム原子核は、ビーム原子核の速度に比べてこのような反発が無視できるほど小さくなるように、大きく加速されます。^{[ 16 ]}ビーム核を加速するために加えられるエネルギーは、光速の10分の1もの速度に達する可能性があります。しかし、加えられるエネルギーが多すぎると、ビーム核は崩壊する可能性があります。^{[ 16 ]}

十分に近づくだけでは、2 つの原子核が融合するには不十分です。2 つの原子核が互いに近づくと、通常は 10 ^{− 20} 秒ほど一緒に留まり、その後、単一の原子核を形成するのではなく、分離します (必ずしも反応前と同じ構成ではありません)。^{[ 16 ] [ 17 ]}これは、単一の原子核の形成を試みる際に、静電反発によって形成中の原子核が引き裂かれるためです。^{[ 16 ]}標的とビームの各ペアは、その断面積によって特徴付けられます。これは、融合が起こるために入射粒子が衝突しなければならない横断面積で表された、2 つの原子核が互いに近づく場合に融合が起こる確率です。^{[ c ]}この融合は、原子核が静電反発をトンネル効果で通過できる量子効果の結果として起こる可能性があります。2 つの原子核がその段階を超えて近くに留まることができる場合、複数の核相互作用によってエネルギーの再分配とエネルギー平衡がもたらされます。^{[ 16 ]}

結果として生じる合体は励起状態^{[ 20 ]} （複合核と呼ばれる）であり、非常に不安定である^{[ 16 ]} 。より安定した状態に達するために、一時的な合体はより安定した核を形成せずに核分裂を起こす可能性がある^{[ 21 ]} 。あるいは、複合核は励起エネルギーを運び去る中性子を少数放出する可能性がある。後者が中性子放出に十分でない場合、合体はガンマ線を生成する。これは最初の核衝突から約10⁻¹⁶秒後に起こり、より安定した核が生成される[21]。IUPAC ^{/ IUPAP合同作業}部会（JWP）の定義では、化学元素は、その原子核が10⁻¹⁴秒以内に崩壊していない場合にのみ発見されたと認識できるとされている^。この値は、原子核が電子を獲得して化学的性質を示すのにかかる時間の推定値として選ばれた。^{[ 22 ] [ d ]} 

ビームはターゲットを通過して次のチャンバーである分離器に到達します。新しい原子核が生成された場合、それはこのビームとともに運ばれます。^{[ 24 ]}分離器では、新しく生成された原子核は他の核種（元のビームの核種と他の反応生成物）^{[ e ]}から分離され、表面障壁検出器に移送され、そこで原子核が停止します。検出器への衝突の正確な位置がマークされ、そのエネルギーと到着時間もマークされます。^{[ 24 ]}移送には約10⁻⁶秒かかります^。 検出されるためには、原子核はこの時間生存する必要があります。^{[ 27 ]}原子核の崩壊が記録されると、原子核は再び記録され、崩壊の位置、エネルギー、および時間が測定されます。^{[ 24 ]}

原子核の安定性は強い相互作用によってもたらされます。しかし、その範囲は非常に短く、原子核が大きくなるにつれて、最外殻核子（陽子と中性子）への影響は弱まります。同時に、原子核は陽子間の静電反発によって引き裂かれ、その範囲は制限されません。^{[ 28 ]}強い相互作用によってもたらされる全結合エネルギーは核子の数に比例して増加しますが、静電反発は原子番号の二乗に比例して増加するため、後者はより速く増加し、重原子核や超重原子核ではますます重要になります。^{[ 29 ] [ 30 ]}したがって、超重原子核は理論的に予測されており^{[ 31 ]} 、これまでのところ、主にアルファ崩壊と自発核分裂という、このような反発によって引き起こされる崩壊モードを介して崩壊することが観測されています^{[ 32 ]}。^{[ f ]}アルファ放出核種のほとんどは210個以上の核子を持ち、^{[ 34 ]}自発核分裂を主として起こす最も軽い核種は238個である。^{[ 35 ]}どちらの崩壊モードでも、原子核はそれぞれのモードに対応するエネルギー障壁によって崩壊が抑制されるが、トンネル効果によって通過することができる。^{[ 29 ] [ 30 ]} 

アルファ粒子は、核子あたりのアルファ粒子の質量が小さいため、アルファ粒子が運動エネルギーとして原子核から離れるためのエネルギーが残ることから、放射性崩壊でよく生成されます。^{[ 37 ]}自発核分裂は、静電反発によって原子核が引き裂かれることで起こり、同じ原子核が分裂するさまざまな場合にさまざまな原子核が生成されます。^{[ 30 ]}原子番号が増加するにつれて、自発核分裂の重要性が急速に高まります。自発核分裂の部分半減期は、ウラン（元素番号92）からノーベリウム（元素番号102）まで23 桁減少し、^{[ 38 ]}トリウム（元素番号90）からフェルミウム（元素番号100）まで30桁減少します。 ^{[ 39 ]}初期の液滴モデルでは、約 280 個の核子を持つ原子核では核分裂障壁が消失するため、自発的核分裂がほぼ瞬時に起こると示唆されていた。^{[ 30 ] [ 40 ]}後期の核殻モデルでは、約 300 個の核子を持つ原子核が安定の島を形成し、その中で原子核は自発的核分裂に対してより抵抗力があり、半減期が長いアルファ崩壊を主に起こすと示唆されていた。^{[ 30 ] [ 40 ]}その後の発見では、予測された島は当初予想されていたよりも遠い可能性があることが示唆され、また、長寿命のアクチニドと予測された島の中間の原子核は変形しており、殻効果によってさらに安定性を得ることも示された。^{[ 41 ]}より軽い超重核、^{[ 42 ]}および予想されるアイランドに近いもの、^{[ 38 ]}の実験では、自発核分裂に対する安定性がこれまで予想されていたよりも大きいことが示されており、原子核に対する殻効果の重要性が示されています。^{[ g ]}       

アルファ崩壊は放出されるアルファ粒子によって記録され、崩壊生成物は実際の崩壊前に容易に決定できます。このような崩壊または連続する一連の崩壊によって既知の原子核が生成された場合、反応の元の生成物を容易に決定できます。^{[ h ]}（崩壊連鎖内のすべての崩壊が実際に互いに関連していることは、これらの崩壊の位置によって確立されます。崩壊は同じ場所でなければなりません。）^{[ 24 ]}既知の原子核は、崩壊エネルギー（より具体的には、放出される粒子の運動エネルギー）など、それが受ける崩壊の特定の特性によって認識できます。 ^{[ i ]}しかし、自発核分裂はさまざまな原子核を生成物として生成するため、元の核種をその娘核から決定することはできません。^{[ j ]}

超重元素の合成を目指す物理学者が利用できる情報は、検出器で収集された情報、すなわち粒子の位置、エネルギー、検出器への到達時刻、およびその崩壊時の情報である。物理学者はこのデータを分析し、それが実際に新しい元素によって引き起こされたものであり、主張されている核種とは異なる核種によって引き起こされたものではないと結論付けようとする。多くの場合、提供されたデータは、新しい元素が確実に生成され、観測された効果に対する他の説明がないと結論付けるには不十分であり、データの解釈に誤りが生じている。^{[ k ]}

19世紀末に知られていた最も重い元素はウランで、原子量は約240 amu (現在は238 amuであることがわかっている) であった。そのため、周期表の最後の行に置かれた。このことが、ウランよりも重い元素が存在する可能性や、なぜA  = 240 が限界のように見えるのかについての憶測を呼んだ。1895年にアルゴンから始まる希ガス の発見後、このグループのより重いメンバーの可能性が検討された。デンマークの化学者ユリウス・トムセンは1895年に、 Z = 86、A = 212 の6番目の希ガスと、 Z = 118、A = 292 の7番目の希ガスの存在を提唱した。最後の希ガスは、トリウムとウランを含む32元素の周期を閉じるものであった。^{[ 53 ]} 1913年、スウェーデンの物理学者ヨハネス・リュードベリは、トムセンの周期表の拡張を原子番号460までのさらに重い元素まで含めるようにしたが、これらの超重元素が自然界に存在するとは信じていなかった。^{[ 54 ]}        

1914年、ドイツの物理学者リヒャルト・スウィンネは、 Z  = 108付近のウランより重い元素が宇宙線 中に存在する可能性があると提唱した。彼は、これらの元素は必ずしも原子番号の増加に伴って半減期が短くなるわけではないと示唆し、Z = 98～102およびZ = 108～110（ただし、短寿命元素によって隔てられている）に長寿命の元素が存在する可能性についての憶測につながった。スウィンネは1926年にこれらの予測を発表し、そのような元素は地球の核、鉄隕石、またはグリーンランドの氷冠に存在し、そこで宇宙起源から閉じ込められている可能性があると信じていた。^{[ 55 ]}    

1961年から2013年にかけて、米国のローレンス・バークレー国立研究所、ドイツのGSIヘルムホルツ重イオン研究所、日本の理化学研究所、ソビエト連邦および後のロシアの合同原子核研究所（JINR）の4つの研究所で行われた研究により、 IUPAC - IUPAPトランスフルミウム作業部会およびその後の合同作業部会によって確立された基準に従って、ローレンシウムからオガネソンまでの元素が特定され、確認されました。

ローレンシウムの生成は、1961年にローレンス・バークレー国立研究所によって初めて報告されたが、競合する主張や実験データの解釈に関する疑問により、JINRの研究者との間で長期にわたる優先権争いが起こった。IUPAC -IUPAPは最終的に1992年にこの発見を認めた。 ^{[ 56 ]}

その後の数十年間で、バークレーは最初期の超アクチノイド元素を発見し、ダルムシュタットのGSIの研究者は元素107から112を合成した。理化学研究所は後に元素113ニホニウムの発見で評価され、化学元素を発見した最初のアジアの機関となった。その後、JINRで行われた実験は、米国の研究所との共同研究により、元素114から118の発見につながり、オガネソンの認識と周期表の第7周期の完成に至った。^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]}

次の2つの元素、ウンウンエニウム（Z  =  119）とウンビニリウム（Z  =  120）はまだ合成されていません。これらの元素が発見されれば、周期表の第8周期が始まります。^{[ 61 ]}

• 103 Lawrencium、Lr、アーネスト・ローレンスに由来。時々含まれるが、常に含まれるとは限らない^{[ 2 ] [ 3 ]}
• 104ラザフォードディウム、Rf、アーネスト・ラザフォード
• 105ドゥブニウム、Db、モスクワ近郊のドゥブナの町
• 106シーボーギウム、シンガポール、グレン・T・シーボーグ宛
• 107ボーリウム、Bh、ニールス・ボーアの場合
• 108ハシウム、Hs、ハッシア（ヘッセン州）、ダルムシュタットの所在地
• 109マイトネリウム、マウント、リーゼ・マイトナーのために
• 110 Darmstadtium、Ds、ダルムシュタット
• 111レントゲニウム、Rg、ヴィルヘルム・レントゲン用
• 112コペルニシウム、Cn、ニコラウス・コペルニクスの場合
• 113 Nihonium、Nh、日本（日本）の所在地、理化学研究所の所在地
• 114フレロビウム、Fl、ロシアの物理学者ゲオルギー・フリョロフにちなんで
• 115モスコヴィウム、Mc、モスクワ
• 116リバモリウム、Lv、ローレンス・リバモア国立研究所
• 117テネシー州、オークリッジ国立研究所の所在地
• 118オガネソン、オグ、ロシアの物理学者ユーリ・オガネシアンにちなんで

• Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; et  al. (2017). "NUBASE2016による核特性の評価". Chinese Physics C . 41 (3). 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A . doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 .pp. 030001-1–030001-17、pp. 030001-18–030001-138、表I。NUBASE2016の核および崩壊特性表
• ベイザー、A. (2003).現代物理学の概念（第6 版）. マグロウヒル. ISBN 978-0-07-244848-1OCLC 48965418​​ 
• ホフマン、DC；ギオルソ、A .；シーボーグ、GT（2000）。超ウラン鉱業の人々：内幕。ワールドサイエンティフィック。ISBN 978-1-78-326244-1。
• Kragh, H. (2018).超ウラン元素から超重元素へ：論争と創造の物語. Springer . ISBN 978-3-319-75813-8。
• Zagrebaev, V.; Karpov, A.; Greiner, W. (2013). "超重元素研究の未来：今後数年以内に合成可能な原子核はどれか？" . Journal of Physics: Conference Series . 420 (1). 012001. arXiv : 1207.5700 . Bibcode : 2013JPhCS.420a2001Z . doi : 10.1088/1742-6596/420/1/012001 . ISSN 1742-6588 .