ウンビビウム

ウンビウニウムは、元素番号122、エカトリウムとしても知られる仮説上の化学元素であり、仮記号Ubb、原子番号122を持ちます。ウンビウニウムとUbbはそれぞれ暫定的なIUPAC体系名と記号であり、元素が発見され、確認され、恒久的な名前が決定されるまで使用されます。元素周期表では、ウンビウニウムに続くスーパーアクチノイドの2番目の元素、第8周期の4番目の元素になると予想されています。ウンビウニウムと同様に、安定の島の範囲内に収まると予想されており、一部の同位体、特に中性子の魔法数（184）を持つと予想される306Ubb^にさらなる安定性を付与する可能性があります。

何度かの試みにもかかわらず、ウンビビウムはまだ合成されておらず、天然同位体の存在も確認されていない。現在、ウンビビウムの合成を試みる計画はない。2008年には、天然トリウムサンプルで発見されたと主張されたが^[3]、より正確な技術を用いた最近の実験の繰り返しにより、その主張は否定された。

化学的には、ウンビビウムはセリウムやトリウムと類似点を示すと予想されている。しかし、相対論的効果により、その特性の一部が異なる場合がある。例えば、ウンビビウムはgブロック超アクチニド系列で予測される位置にもかかわらず、基底状態の電子配置は[ Og ] 7d ¹ 8s ² 8p ¹または[Og] 8s ² 8p ²であると予想される。^[1]

超重原子核の合成

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 つの原子核が反応する可能性が高くなります。^[9]重い原子核でできた物質をターゲットにして、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、静電反発力により互いに反発します。強い相互作用はこの反発力を克服できますが、原子核から非常に短い距離に限られます。そのため、ビーム原子核は大幅に加速され、ビーム原子核の速度に比べて反発力が重要ではなくなるようにします。^{[10]ビーム原子核を加速するために適用されるエネルギーにより、ビーム原子核は}光速の10 分の 1 ほどの速度に達することもあります。しかし、エネルギーが多すぎるとビーム核が崩壊する可能性がある。^[10]

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)。^{[10] [11]}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です。^[10]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。^[10]

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[13]

結果として生じる合体は励起状態^[14] （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。^[10]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。 ^[15]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。 [15]} 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。^{[16] [d]}

崩壊と検出

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。^[18]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。^[18]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。^[21]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。 ^[18]

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。^[22]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。^{[23] [24]}そのため、超重原子核は理論的に予測されており^[25]、これまでに観測されている^[26] 。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が優勢である。^[f]ほぼすべてのアルファ放射体は210個以上の核子を持ち、^[28]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。^{[29]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。^{[23] [24]}

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。^[31]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。^[24]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、^[32]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。^[33]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。^{[24] [34]}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。^{[24] [34]}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。^[35]より軽い超重核^[36]や、予想される島核^[32]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。) ^[18]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]

1970年代には、ウンビビウムの合成を2回試みたが、どちらもN  = 184およびZ  > 120の安定島に関する初期の予測^[47]と、特に超重元素が自然に存在する可能性があるかどうかによって推進された。^{[48]ウンビビウムの合成の最初の試みは、1972年に}合同原子核研究所（JINR）のFlerovらによって、重イオン誘起高温核融合反応を使用して行われた。 ^[48]

²³⁸
₉₂あなた
+^66,68
₃₀亜鉛
→^304,306
₁₂₂ウブ
* → 原子なし

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イオンを照射して、ウンビビウムを合成する別の失敗した試みが行われた。^[48]

^ナット
₆₈えー
+¹³⁶
₅₄ゼ
→^{298,300,302,303,304,306}
ウブ
* → 原子なし

原子は検出されず、生成限界は 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。^[47]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、この反応では何も検出されなかった。²³⁸ U と⁶⁵ Cuからウンビウニウム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。^[49]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。^{[50] [51]}

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^。

²³⁸
₉₂あなた
+⁷⁰
₃₀亜鉛
→³⁰⁸
₁₂₂ウブ
* → 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。 より質の高い結果を得るためには、将来的に 感度を 1 fbまで上げる必要があります。

2000年から2004年にかけて、フレロフ原子核反応研究所で、 ³⁰⁶ Ubbなどのさまざまな超重複合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つの核反応が使用された。 ^[48]結果から、超重核が主に¹³² Sn（Z  = 50、N = 82）などの閉殻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。^[52]

2008年、エルサレムのヘブライ大学のイスラエル人物理学者アムノン・マリノフ率いる研究グループは、天然のトリウム鉱床で、トリウムに対して10 ⁻¹¹～ 10 ⁻¹²の割合で、ウンビビウム 292 の単一原子を発見したと主張した。 ^{[3]これは、1939年に}マルグリット・ペレーがフランシウムを発見して以来、69年ぶりに自然界で新元素が発見されたと主張されたケースであった。^{[l]マリノフ}らの主張は科学界から批判され、マリノフはネイチャー誌とネイチャー・フィジックス誌に論文を提出したが、査読に回さずに両誌から却下されたと述べている。 [ 53 ]^{ウンビビウム}292 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。 ^[48]

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^[54]が、2008年にPhysical Review Cに掲載されました。 ^[55]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。 ^[56]

加速器質量分析法（AMS）という優れた方法を用いてトリウムの実験を繰り返したが、感度は100倍も向上したにもかかわらず、結果を確認することはできなかった。^{[57]この結果は、トリウム[54]}、レントゲン^[58]、ウンビビウム^[3]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るものである。超重元素に関する現在の理解では、天然のトリウムサンプルにウンビビウムの痕跡が残る可能性は非常に低いことが示されている。^[48]

メンデレーエフの命名法に従えば、ウンビビウムはエカトリウムと呼ばれるべきである。^[59] 1979年のIUPACの勧告以降、この元素は、正式に発見・合成され、正式名称が決定されるまで、一時的な名称として、原子記号( Ubb )のウンビビウム^[60]と呼ばれることが多い。科学者はこの命名規則をほとんど無視し、ウンビビウムを単に「元素番号122」の記号( 122 )、あるいはE122や122と呼ぶこともある。^[61]

メンデレビウム以降のすべての元素は核融合蒸発反応で生成され、 2002年に最も重い既知の元素であるオガネソン^{[63] [64]}が発見され、最近では2010年にテネシン^[65]が発見されました。これらの反応は現在の技術の限界に近づいており、たとえばテネシンの合成には22ミリグラムの²⁴⁹ Bkと6か月間の強力な⁴⁸ Caビームが必要でした。超重元素研究におけるビームの強度は、ターゲットと検出器を損傷することなく1秒あたり10 ^{12 の発射体を超えることはできず、ますます希少で不安定な}アクチニドターゲットを大量に製造することは非現実的です。^{[66]したがって、将来の実験は}、合同原子核研究所（JINR）や理化学研究所 の超重元素工場（SHEファクトリー）などの施設で行われなければならない。これにより、検出能力が向上し、他の方法ではアクセスできない反応が可能になり、より長い時間実験を実行できるようになる。^[67]

核融合蒸発反応は、ウンビビウムやそれより重い元素の発見には適さない可能性がある。様々なモデルが、Z  = 122およびN ~ 180の同位体のアルファおよび自発核分裂の半減期が マイクロ秒以下とますます短くなると予測しており^[68]、現在の装置では検出がほぼ不可能になっている。^[50]自発核分裂の優位性が増すと、リバモリウムやオガネソンの既知の原子核とのつながりが断たれ、識別と確認がより困難になる可能性もある。同様の問題は、既知の原子核に結びつかない^{294 Ogの崩壊系列の確認の過程でも発生した。 [69]}これらの理由から、より長寿命の原子核を生成できる多核子移行反応など、他の製造方法を研究する必要があるかもしれない。同様の実験技術の転換は、Z  > 113の元素を生成させるために、冷核融合（原子番号の増加とともに断面積が急速に減少する）の代わりに^48Caの発射体を使用した熱核融合が使用されたときにも起こった。 ^[51]

それにもかかわらず、すでに試みられ失敗したものに加えて、ウンビビウムを生成するいくつかの融合蒸発反応が提案されているが、どの機関もすぐに合成を試みる予定はなく、代わりにまず元素119、120、そしておそらく121に焦点を当てている。反応の非対称性によって断面積が増加するため、^[51]クロムビームはカリホルニウムターゲットと組み合わせるのが最も有利であり、^{[50]特に、} N = 184で予測される中性子閉殻が 、より中性子に富む生成物で達成され、さらなる安定性をもたらす場合。特に、⁵⁴
₂₄Cr
そして²⁵²
₉₈参照
複合核を生成する³⁰⁶
₁₂₂ウブ
そしてN  = 184で殻に到達しますが、²⁴⁹
₉₈参照
望ましくない核分裂生成物が存在するため、ターゲットはより実現可能だと考えられている。²⁵²
₉₈参照
必要な量の標的物質を蓄積することが困難である。^[70]ウンビビウムの合成法としては、次のようなものが考えられる。^[50]

²⁴⁹
₉₈参照
+⁵⁴
₂₄Cr
→³⁰⁰
₁₂₂ウブ
+ 3¹
₀
ん

この反応が成功し、アルファ崩壊が自発核分裂よりも優勢なままであれば、結果として生じる^{300 Ubb は296} Ubnを介して崩壊し、 ²⁴⁹ Cf と⁵⁰ Tiの交差衝撃で占有される可能性があります。この反応は近い将来、ウンビビウムの合成に最も有望な選択肢の 1 つですが、最大断面積は 3  fbと予測されており、^[70]成功した反応で測定された最小断面積よりも 1 桁低くなります。より対称的な反応である²⁴⁴ Pu + ⁶⁴ Ni および²⁴⁸ Cm + ⁵⁸ Fe ^[50]も提案されており、より多くの中性子過剰同位体が生成される可能性があります。原子番号が増加すると、核分裂障壁の高さが低下し、特にZ  = 126 およびN  = 184の予測魔法数を超えると、複合核の生存確率が低下することにも注意する必要があります^。[70]

最も重い原始元素であるプルトニウム以降、原子番号が増加するにつれて原子核の安定性は大きく低下し、原子番号101以上の同位体はすべて半減期1日未満で放射性崩壊する。原子番号82以上の元素（鉛に次ぐ）には安定同位体がない。^[71]しかし、まだ十分に解明されていない理由により、原子番号110～114付近で原子核の安定性がわずかに増加し、原子核物理学で「安定の島」として知られる現象が生じる。カリフォルニア大学のグレン・シーボーグ教授が提唱したこの概念は、超重元素が予想よりも長く存続する理由を説明できる。 ^[72]

周期表のこの領域では、N = 184 が中性子閉殻 として提案されており、Z  = 114、120、122、124、126 など、様々な原子番号が陽子閉殻として提案されている。安定の島は、これらの魔法数付近に位置する原子核の半減期が長いことが特徴であるが、陽子殻閉鎖の弱化と二重魔法性の喪失が予測されているため、安定化効果の程度は不確かである。^[73]より最近の研究では、安定の島はベータ安定 コペルニシウム同位体²⁹¹ Cn と²⁹³ Cn を中心とすると予測されており、^{[51] [74]}ウンビビウムは安定の島よりかなり上に位置し、殻効果に関係なく半減期が短くなる。元素番号112～118の安定性の向上は、これらの原子核の扁平形状と自発核分裂に対する耐性にも起因していると考えられている。同じモデルでは、³⁰⁶ Ubbが次の球状二重魔法核として提案されており、球状原子核の真の安定島を定義している。^[75]

^{量子トンネルモデルは、 284～322} Ubbのウンビビウム同位体のアルファ崩壊半減期は、³¹⁵ Ubbより軽いすべての同位体でマイクロ秒以下になると予測しており、 ^[76]この元素の実験的観測における大きな課題を浮き彫りにしている。これは多くの予測と一致しているが、1マイクロ秒の境界の正確な位置はモデルによって異なる。さらに、この領域では自発核分裂が主要な崩壊モードになると予想されており、核子対形成による妨害が最小限に抑えられ、魔法数から遠ざかると安定化効果が失われるため、一部の偶数-偶数同位体では半減期がフェムト秒のオーダーになると予測されている^{[68] 。 [70] 2016年に行われた280～339} Ubb同位体の半減期と崩壊系列の計算では、 ^280～297 Ubbは陽子に結合せず、おそらく陽子放出により崩壊し、^298～314 Ubbはアルファ半減期がマイクロ秒オーダーであり、³¹⁴ Ubbより重いものは主に半減期が短い自発核分裂により崩壊するという裏付けとなる結果が得られた。^[77]核融合蒸発反応で存在する可能性のあるより軽いアルファ放出体については、より軽い元素の既知または到達可能な同位体に至るいくつかの長い崩壊系列が予測されている。さらに、同位体^308～310 Ubbは半減期が1マイクロ秒未満であると予測されているが、^{[68] [77]} N = 184殻閉鎖のすぐ上の中性子数に対する結合エネルギーが大幅に低いため、検出するには短すぎる 。あるいは、全半減期が約1秒の2番目の安定島がZ  ~ 124およびN  ~ 198のあたりに存在する可能性があるが、これらの原子核は現在の実験技術では到達が困難または不可能である。^[74]ただし、これらの予測は選択された原子核質量モデルに大きく依存しており、ウンビビウムのどの同位体が最も安定するかは不明である。いずれにせよ、入手可能なターゲットと入射物の組み合わせでは複合原子核に十分な中性子を提供できないため、これらの原子核を合成することは困難である。核融合反応で到達可能な原子核であっても、自発核分裂や場合によってはクラスター崩壊^[78]も重要な分岐を持つ可能性があり、通常は連続したアルファ崩壊によって識別される超重元素の識別に新たな障害となる。

ウンビビウムは、同様に希ガス核の上に 4 つの価電子を持つセリウムやトリウムと化学的に類似していると予測されますが、より反応性が高い可能性があります。さらに、ウンビビウムは新しい価電子g 電子原子のブロックに属すると予測されているが、5g 軌道は元素番号 125 あたりまで満たされ始めないと予想される。ウンビビウムの予測される基底状態の電子配置は [ Og ] 7d ¹ 8s ² 8p ^{1 [1] [79]}または 8s ² 8p ²のいずれかであり、^[80]これに対し、5g 軌道が元素番号 121 で満たされ始めると予測される [ Og ] 5g ² 8s ^{2 は}無視できる。(ds ² p 配置と s ² p ²配置は、約 0.02 eV しか離れていないと予測されている。) ^[80]超アクチニドでは、相対論的効果によってアウフバウ原理が破綻し、5g、6f、7d、8p 軌道が重なり合う可能性がある。^[81]コペルニシウムとフレロビウムの化学に関する実験は、相対論的効果の役割が増大していることを強く示唆している。そのため、ウンビビウムに続く元素の化学は予測がより困難になる。

ウンビビウムは、おそらく二酸化物Ubb O ₂や、四ハロゲン化物Ubb F ₄、Ubb Cl ₄を形成する。^[1]主な酸化状態は、セリウムやトリウムと同様に+4であると予測されている。^[48]ウンビビウムの第一イオン化エネルギーは5.651 eV、第二イオン化エネルギーは11.332 eVと予測されている。このイオン化エネルギーと他の計算されたイオン化エネルギーは、トリウムの類似値よりも低く、ウンビビウムはトリウムよりも反応性が高いことを示唆している。^{[79] [2]}