超重元素

超重元素は、超アクチノイド元素、超アクチニド、超重元素、または略して超重元素とも呼ばれ、原子番号が104を超える化学元素です。[ 1 ]超重元素^は、周期表でアクチノイドを超える元素です。最後のアクチノイドはローレンシウム（原子番号103）です。定義により、超重元素は超ウラン元素でもあり、つまりウラン（92）よりも大きい原子番号を持っています。著者が採用した第3族の定義に応じて、ローレンシウムも含められ、6d系列が完成することもあります。^{[2] [3] [4] [5]}

グレン・T・シーボーグはアクチノイドの概念を初めて提唱し、アクチノイド系列の受容につながった。彼はまた、元素番号104から121までの超アクチノイド系列と、元素番号122から153におおよそ及ぶ超アクチノイド系列を提唱した（ただし、最近の研究では、超アクチノイド系列の終点は元素番号157であると示唆されている）。超アクチノイドシーボーギウムは彼にちなんで命名された。^{[6] [7]}

超重元素は放射性で、研究室で合成されたものです。これらの元素の肉眼で見えるサンプルは、これまで作られたことはありません。超重元素はすべて、物理学者や化学者、または元素の合成に関わった重要な場所にちなんで命名されています。

IUPACは、原子が電子雲を形成するのにかかる時間である¹⁰⁻¹⁴ 秒よりも寿命が長い元素が存在すると定義しています。 ^[8]

既知の超重元素は、周期表の 6d および 7p シリーズの一部です。ラザホージウムとドブニウム(およびローレンシウムが含まれる場合はローレンシウム) を除き、超重元素の最も長寿命の既知の同位体でさえ、半減期は数分以下です。元素の命名論争は、元素102 - 109に関係していました。そのため、これらの元素の一部は、発見が確認されてから何年も系統名が使用されていました。(通常、系統名は、発見が確認されると比較的すぐに、発見者によって提案された恒久的な名前に置き換えられます。)

超重原子核^[a] は、大きさの異なる2つの原子核^{[b]を1つに結合する核反応で生成されます。大まかに言えば、2つの原子核の}質量の不等性が大きいほど、2つが反応する可能性が高くなります。^[14]重い原子核でできた物質を標的にして、軽い原子核のビームを照射します。2つの原子核は、十分に接近した場合にのみ1つに融合します。通常、原子核（すべて正に帯電）は、静電気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内に限られます。そのため、ビーム原子核は、ビーム原子核の速度と比較してそのような反発を無視できるように大幅に加速されます。 ^{[15]ビーム核を加速するためにエネルギーを加えると、ビーム核は}光速の10分の1ほどの速度に達することができる。しかし、エネルギーが多すぎるとビーム核は崩壊してしまう可能性がある。^[15]

2 つの原子核が融合するには、十分に近づくだけでは十分ではありません。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、離れていきます (反応前と同じ構成である必要はありません)。^{[15] [16]}これは、単一の原子核の形成を試みている間に、静電反発によって形成されつつある原子核が引き裂かれるために起こります。^[15]ターゲット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。断面積とは、2 つの原子核が互いに近づいた場合に融合が起こる確率であり、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ます。^{[c]この融合は、原子核が静電反発を}通り抜けることが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過ぎても近くに留まることができれば、複数の原子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。^[15]

外部ビデオ
オーストラリア国立大学の計算に基づく失敗した核融合の可視化[18]

結果として生じる合体は励起状態^[19] （複合核と呼ばれる）であり、したがって非常に不安定である。^[15]より安定した状態に到達するために、一時的な合体はより安定した核を形成せずに核分裂する可能性がある。 ^[20]あるいは、複合核は少数の中性子を放出し、励起エネルギーを奪う可能性がある。後者が中性子の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秒後に発生し、より安定した核の生成につながる。 [20]} IUPAC/IUPAP 合同作業部会（JWP）による定義では、化学元素は、その核が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されるとされている。この値は、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択された。^{[21] [d]}

ビームはターゲットを通過し、次のチャンバーであるセパレーターに到達します。新しい原子核が生成された場合は、このビームとともに運ばれます。^[23]セパレーターでは、新しく生成された原子核が他の核種（元のビームの核種と他の反応生成物）から分離され^[e]、原子核を停止させる表面バリア検出器に転送されます。検出器への衝突の正確な位置が記録され、そのエネルギーと到着時間も記録されます。^[23]転送には約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き残らなければなりません。^[26]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。 ^[23]

原子核の安定性は強い相互作用によってもたらされる。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）への影響は弱まる。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ない。^[27]強い相互作用によって提供される全結合エネルギーは核子数とともに直線的に増加するのに対し、静電反発は原子番号の2乗とともに増加する。つまり、後者はより速く増加し、重い原子核と超重い原子核にとってますます重要になる。^{[28] [29]}したがって、超重原子核は理論的に予測されており^[30]、これまでに観測されている^{[31] 、そのような反発によって引き起こされる崩壊モード、すなわち}アルファ崩壊と自発核分裂によって主に崩壊する。^[f]ほぼすべてのアルファ線放出核種は210個以上の核子を持ち、^[33]主に自発核分裂を起こす最も軽い核種は238個の核子を持つ。^{[34]どちらの崩壊モードでも、核子は各モードに対応する}エネルギー障壁によって崩壊が抑制されるが、トンネルを通り抜けることはできる。^{[28] [29]}

アルファ粒子は、核子あたりの質量が小さいため、アルファ粒子が原子核から離れるための運動エネルギーとして使用できる程度のエネルギーが残るため、放射性崩壊でよく生成されます。^[36]自発核分裂は、静電反発力によって原子核が引き裂かれることで発生し、同一の原子核が分裂する場合でも、さまざまな原子核が生成されます。^[29]原子番号が増加すると、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）にかけて23桁減少し、^[37]トリウム（元素番号90）からフェルミウム（元素番号100）にかけては30桁減少します。^[38]初期の液滴モデルでは、核子数が約280の原子核では核分裂障壁が消失するため、自発核分裂がほぼ瞬時に起こると示唆されていた。^{[29] [39]}後の原子核殻モデルでは、核子数が約300の原子核は安定の島を形成し、その中では自発核分裂に対する抵抗力がより強くなり、主に半減期の長いアルファ崩壊を起こすと示唆された。^{[29] [39]}その後の発見により、予測された島は当初の予想よりも遠い可能性があることが示唆された。また、長寿命アクチニドと予測された島の中間の原子核は変形し、殻効果からさらなる安定性を獲得することも示された。^[40]より軽い超重核^[41]や、予想される島核^[37]に近い核の実験では、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高いことが示されており、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た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の前に簡単に特定できます。そのような崩壊または一連の連続した崩壊によって既知の原子核が生成された場合、反応の元の生成物は簡単に特定できます。^[h] (崩壊系列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、これらの崩壊は同じ場所でなければなりません。) ^[23]既知の原子核は、崩壊エネルギー (またはより具体的には、放出された粒子の運動エネルギー) などの崩壊の特定の特性によって認識できます。 ^[i]ただし、自発核分裂ではさまざまな原子核が生成物として生成されるため、元の核種をその娘核種から特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、つまり、粒子が検出器に到達した場所、エネルギー、時間、および崩壊の時間です。物理学者はこのデータを分析し、それが確か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はずがないという結論を出そうとします。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たという結論を出すには不十分であり、観察された効果について他に説明はありません。データの解釈に誤りがあったのです。^[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（現在では238）amuでした。したがって、ウランは周期表の最後の行に配置されました。これにより、ウランよりも重い元素が存在する可能性と、A  = 240が限界であるように見える理由についての推測が刺激されました。1895年にアルゴンに始まる希ガスの発見に続いて、このグループのより重いメンバーの可能性が検討されました。デンマークの化学者ジュリアス・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、最後の7番目でトリウムとウランを含む 32元素周期が完結しました。^[52] 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外挿を拡張し、原子番号460までのさらに重い元素を含めたが、彼は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。^[53]

1914年、ドイツの物理学者リチャード・スウィンは、ウランより重い元素、例えばZ  = 108付近の元素が宇宙線中に見つかるかもしれないと提唱した。彼は、これらの元素は原子番号の増加に伴って半減期が必ずしも短くなるわけではないと示唆し、Z = 98–102およびZ = 108–110に寿命の長い元素（ただし短寿命の元素によって隔てられている）が存在する可能性について推測した。スウィンは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信じた。^[54]

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、ソ連（後のロシア）の合同原子核研究所、ドイツのGSIヘルムホルツ重イオン研究センター、日本の理化学研究所の4つの研究所で行われた研究により、 IUPAC - IUPAPトランスファーミウム作業部会およびその後の合同作業部会の基準に従って、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。これらの発見により、周期表の7番目の行が完成しました。次の2つの元素、ウンウンネニウム（Z  = 119）とウンビニリウム（Z  = 120）はまだ合成されていません。これらは8番目の周期の始まりとなります。

• 103ローレンシウム、Lr、アーネスト・ローレンス; 時々含まれるが、常に含まれるわけではない^{[2] [3]}
• 104ラザホーディウム、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市
• 106シーボーギウム、Sg、グレン・T・シーボーグ
• 107ボーリウム、Bh、ニールス・ボーアの場合
• 108ハッシウム、Hs、ハッシア（ヘッセン）、ダルムシュタットの位置
• 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ニホニウム、Nh、日本（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 Moscovium、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 Tennessine、Ts、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

半減期が短いこと（例えば、シーボーギウムの最も安定した既知の同位体の半減期は 14 分で、半減期は原子番号の増加とともに減少する）と、それらを生成する核反応の収率が低いことから、数個の原子からなる非常に小さなサンプルに基づいて、それらの気相および溶液化学を決定するための新しい方法を開発する必要があった。周期表のこの領域では相対論的効果が非常に重要になり、満たされた 7s 軌道、空の 7p 軌道、および満たされた 6d 軌道がすべて原子核に向かって内側に収縮する。これにより、7s 電子が相対論的に安定化され、7p 軌道が低励起状態でアクセス可能になる。^[7]

元素番号 103 から 112、ローレンシウムからコペルニシウムまでが、6d 系列の遷移元素を形成します。実験的証拠は、元素番号 103 から 108 が、周期表の位置から予想されるように、ルテチウムからオスミウムまでのより重い同族元素として振る舞うことを示しています。これらの元素のイオン半径は、5d 遷移金属同族元素とアクチノイド擬似同族元素のイオン半径の間であると予想されます。たとえば、Rf ^{4+のイオン半径は 76} pmと計算されており 、これはHf ⁴⁺ (71 pm) とTh ⁴⁺ (94 pm)の間の値です。これらのイオンは、5d 同族元素よりも分極性が低いはずです。相対論的効果は、この系列の最後、レントゲン (元素番号 111) とコペルニシウム (元素番号 112) で最大になると予想されます。しかしながら、理論計算は行われているものの、超アクチニド元素の多くの重要な特性は未だ実験的に分かっていない。^[7]

元素番号 113 から 118、ニホニウムからオガネソンは 7p 系列を形成し、周期表の第 7 周期を完了する。これらの元素の化学的性質は、7s 電子の非常に強い相対論的安定化と、7p サブシェルを 2 つのセクションに「引き裂く」強いスピン軌道結合効果によって大きく左右される。2 つのセクションとは、より安定化されたセクション (7p _1/2、電子 2 個を保持) とより不安定化されたセクション (7p _3/2、電子 4 個を保持) である。7s 電子と 7p _{1/2電子の両方が}不活性電子対効果を示すため、グループの傾向が継続し、より低い酸化状態がここで安定化されるはずである。これらの元素は、相対論的効果がますます大きな役割を果たすようになるものの、グループの傾向に概ね従い続けると予想される。特に、7pの大きな分裂はフレロビウム（元素番号114）での効果的な殻閉鎖をもたらし、オガネソン（元素番号118）の化学活性が予想よりもはるかに高くなります。^[7]

元素番号 118 は、合成された最後の元素です。次の 2 つの元素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になります。8s 電子は相対論的に安定化されると予想されるため、これらのグループの下に向かうにつれて反応性が高くなる傾向は逆転し、元素は周期表 5 の同族元素であるルビジウムとストロンチウムに似た挙動を示すようになります。7p _{3/2軌道は依然として相対論的に不安定化しているため、これらの元素のイオン半径が大きくなり、化学的に関与できるようになる可能性もあります。この領域では、8p 電子も相対論的に安定化されるため、}元素番号 121の基底状態の価電子配置は 8s ² 8p ¹になります。元素 120 から元素 121 に移行すると、サブシェル構造に大きな変化が生じると予想される。たとえば、5g 軌道の半径は、 励起 [Og] 5g ¹ 8s ¹構成の元素 120 では25ボーア単位であるのに対し、励起 [Og] 5g ¹ 7d ¹ 8s ¹構成の元素 121 では 0.8 ボーア単位に大幅に減少する。これは「放射状崩壊」と呼ばれる現象である。元素 122 は、元素 121 の電子構成にさらに 7d 電子またはさらに 8p 電子を追加する。元素 121 と 122 は、それぞれアクチニウムとトリウムに類似するはずである。^[7]

元素番号 121 では、 8s 電子と、8p _1/2、7d _3/2、6f _5/2、5g _7/2サブシェルの充填によってこれらの元素の化学が決まる、超アクチニド系列が始まると予想されます。123 を超える元素については、状況が極めて複雑なため、完全で正確な計算は利用できません。^[55] 5g、6f、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、9p _1/2軌道もほぼ同じエネルギーレベルを持つ必要があります。これにより、電子殻が混ざり合ってブロック概念がうまく適用されなくなり、また、これらの元素を周期表に配置することを非常に困難にする新しい化学的性質も生じます。^[7]

Z = 126を超える元素は超重元素と呼ばれることが提案されている。^[56]他の資料では、Z = 164前後の元素を超重元素と呼んでいる。^[57]

• ボーズ・アインシュタイン凝縮体（スーパーアトムとも呼ばれる）
• 安定の島

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