ウンビウニウム

ウンビウニウムはエカアクチニウムまたは元素番号121としても知られ、仮説上の化学元素である。記号は Ubu、原子番号は121である。ウンビウニウムとUbu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る。元素周期表では、スーパーアクチニドの最初の元素、第8周期の3番目の元素になると予想されている。安定島にあるかもしれないという予測があるため、注目を集めている。また、新しいgブロック元素の最初の元素である可能性もある。

ウンビウニウムはまだ合成されていない。現在の技術で合成可能な最後の数少ない元素の1つになると予想されており、その限界は元素番号120から124の間である可能性がある。また、これまで知られている元素番号118までよりもはるかに合成が難しく、元素番号119や120よりもさらに難しいと思われる。日本の理化学研究所とロシアのドゥブナにあるJINRのチームは、元素番号119と120の合成に続いて、将来的には元素番号121の合成に挑戦する計画を示している。

周期表におけるウンビウニウムの位置から、この元素はランタンやアクチニウムと同様の特性を持つと考えられます。しかし、相対論的効果により、周期表の傾向をそのまま適用した場合の特性と異なる特性を持つ場合があります。たとえば、ウンビウニウムはランタンやアクチニウムのs ^{2 d や}マデルング則から予想される s ² gではなく、 ^{s 2} p 価電子配置を持つことが予想されますが、これが化学的性質に大きく影響するとは予想されません。一方で、第一イオン化エネルギーは周期表の傾向から予想されるものよりも大幅に低くなります。

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。^[8]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。^{[9]ビーム原子核を加速するためにビーム原子核に加えら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。^[9]

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)。^{[9] [10]}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。^[9]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接近した場合に融合が起こる確率を、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したものです。^{[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。^[9]

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[12]

結果として生じる合体は励起状態^[13] （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。^[9]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。 ^[14]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。 [14]} 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。^{[15] [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。^[17]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。検出器には、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。^[17]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。^[20]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。^[17]

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。^[21]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に比例して増加するのに対し、静電反発は原子番号の2乗に比例して増加する。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ではますます重要になる。^{[22] [23]}そのため、超重原子核は理論的に予測されており^[24]、これまでに^{[25 ]、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ことが観測されている。^[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、^[27]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。^{[28]どちらの崩壊モードでも、核子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、トンネルを通り抜けることはできる。^{[22] [23]}

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。^[30]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さまざまな事例でさまざまな原子核を生成します。^[23]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、^[31]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。^[32]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。^{[23] [33]}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。^{[23] [33]}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。^[34]より軽い超重核^[35]や、予想される島核^[31]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。) ^[17]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]

超重元素を生成する核融合反応は、生成される複合核の励起エネルギーに応じて、「ホット」核融合と「コールド」核融合に分けられます。 ^{[l]ホット核融合反応では、非常に軽くて高エネルギーの発射体が、非常に重いターゲット（}アクチニド）に向かって加速され、高い励起エネルギー（約 40～50  MeV）の複合核が生成され、複数（3～5個）の中性子が核分裂または蒸発することがあります。 ^[48]コールド核融合反応（通常は第4周期のより重い発射体と、通常は鉛とビスマスなどのより軽いターゲットを使用）では、生成される融合核の励起エネルギーは比較的低く（約 10～20 MeV）、これらの生成物が核分裂反応を起こす確率が低くなります。融合核が基底状態まで冷却されると、1つまたは2つの中性子の放出のみが必要になります。しかし、高温核融合反応では、アクチノイドが現在マクロ的に生成できる元素の中で最も高い中性子対陽子比を持つため、中性子を多く含む生成物が生成される傾向がある。これは現在、フレロビウム（元素番号114）以降の超重元素を生成する唯一の方法である。^[49]

元素119と120を合成する試みは、生成反応の断面積の減少とそれらの半減期の短さ（^{[46] は}マイクロ秒のオーダーと予想される）のために、現在の技術の限界を押し広げるものである。^{[1] [50]}元素121から始まるより重い元素は、現在の技術では検出するには寿命が短すぎる可能性があり、検出器に到達する前にマイクロ秒以内に崩壊する。^[46]この1マイクロ秒の半減期の境界がどこにあるかは不明であり、これにより元素121から124までの同位体の合成が可能になる可能性があるが、正確な限界は核種の質量を予測するために選択されたモデルに依存する。^[50]また、元素120が現在の実験技術で到達可能な最後の元素であり、元素121以降には新しい方法が必要になる可能性もある。^[46]

カリホルニウム（Z = 98）を超える元素を十分な量で合成してターゲットを作ることは現在のところ不可能であり、現在検討されているターゲットはアインシュタイン（Z = 99）であるため、オガネソンを超える元素の実用的な合成には、チタン-50、クロム-54、鉄-58、ニッケル-64などのより重い発射体が必要である。^{[51] [52]}しかし、これには、より対称的な核融合反応が低温で成功する可能性が低いという欠点がある。^[51]たとえば、²⁴³ Amと^{58 Feの反応は、0.5} fbのオーダーの断面積を持つと予想されており、成功した反応で測定された断面積よりも数桁低い。このような障害があるため、この反応や同様の反応では、ウンビウニウムを生成することは不可能である。^[53]

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科学研究所(GSI)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ウブ
* → 原子なし

原子は特定されなかった。^[54]

現在、超重元素施設のビーム強度は、1 秒あたり約 10 ^{12 個の}発射体がターゲットに当たる結果となります。ターゲットと検出器を燃やさずにこれを増やすことはできず、ターゲットに必要な不安定化が進むアクチニドを大量に製造することは非現実的です。ドゥブナの合同原子核研究所(JINR) のチームは、改良された検出器と小規模で作業できる能力を備えた新しい超重元素工場 (SHE 工場) を建設しましたが、それでも 120 番目、おそらく 121 番目の元素を超えて継続することは大きな課題となります。^[56]自発核分裂の半減期がますます短くなり、陽子滴下線が迫っているため、新たな超重元素を生成するための核融合蒸発反応の時代は終わりに近づいている可能性があり、そのため、超アクチニドに到達するには、核移行反応（例えば、ウラン原子核を互いに発射して陽子を交換し、潜在的に約120個の陽子を持つ生成物を生成する）などの新しい技術が必要になるだろう。^[56]

これらの融合蒸発反応の断面積は反応の非対称性とともに増加するため、元素121の合成にはクロムよりもチタンの方が適していると考えられるが^[57] 、これにはアインシュタイニウム標的が必要となる。これはアインシュタイニウム254の高い放射能による標的の著しい加熱と損傷のため厳しい課題を伴い、それでもおそらく最も有望なアプローチとなるだろう。生産できる254Esの量が少ないため、小規模での作業が必要となる^。この小規模な作業は、近い将来、ドゥブナのSHE工場でのみ実施される可能性がある。^[58]

²⁵⁴ Es と⁵⁰ Tiの 3n チャネルと 4n チャネルを介した反応で生成される可能性のある同位体²⁹⁹ Ubu、³⁰⁰ Ubu、および³⁰¹ Ubuは、検出に十分な半減期を持つ唯一の到達可能なウンビウニウム同位体であると予想されています。それでも、断面積は現在検出可能なものの限界を押し上げるものとなります。たとえば、2016 年の出版物では、前述の²⁵⁴ Es と⁵⁰ Ti の反応の断面積は 4n チャネルで約 7 fb になると予測されていましたが、^[59]これは、成功した反応で測定された最小断面積の 4 分の 1 です。 2021年の計算では、この反応の3nチャネルの理論断面積は10 fb、4nチャネルの理論断面積は0.6 fbと同様に低く、²⁴⁹ Bk+ ⁵⁴ Cr、²⁵² Es+ ⁵⁰ Ti、²⁵⁸ Md+ ⁴⁸ Caの反応の断面積は1～10 fb程度であることが示されています。 ^[60]ただし、²⁵² Esと²⁵⁸ Mdは現在、ターゲット物質を形成するのに十分な量を合成することができません。^[要出典]

このような反応でウンビウニウム同位体の合成が成功すれば、結果として生じる原子核は、²⁴⁸ Cm+ ⁵¹ V または²⁴⁹ Bk+ ^{50 Ti 反応での交差衝撃によって生成されるウンビウニウム同位体を経て、 249} Bk+ ⁴⁸ Ca および²⁴³ Am+ ⁴⁸ Ca 反応で合成されるテネシンおよびモスコビウムの既知の同位体へと崩壊するだろう。^{[46]しかし、奇数原子核のアルファ崩壊によって生成される励起状態の多様性により、 293} Ts と²⁸⁹ Mcの間の物議を醸した関係で見られたような明らかな交差衝撃のケースが排除される可能性がある。 ^{[61] [62]}より重い同位体はより安定すると予想される。³²⁰ウブは最も安定したウンビウニウム同位体であると予測されていますが、使用可能なターゲットと発射体の組み合わせでは十分な中性子を供給できないため、現在の技術では合成する方法がありません。^[2]

理化学研究所とJINRのチームは、将来の計画の中に元素番号121の合成を挙げている。^{[58] [63] [64]}これら2つの研究室は、このような低い予測断面積の反応に長時間のビームタイムを利用できる世界で唯一の研究室であるため、これらの実験に最適です。^[65]

メンデレーエフの命名法と未発見元素を用いると、ウンビウニウムはエカアクチニウムと呼ばれるべきである。1979年のIUPAC勧告を用いると、この元素は発見され、その発見が確認され、恒久的な名前が選ばれるまで、暫定的に ウンビウニウム（記号Ubu ）と呼ばれるべきである。 ^[66]この勧告は、化学教室から上級教科書まで、あらゆるレベルの化学コミュニティで広く使用されているが、理論的または実験的に超重元素を研究している科学者の間ではほとんど無視されており、彼らはそれを「元素121」と呼び、記号E121、(121)、または121と呼んでいる。^[1]

原子核の安定性は、原子番号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。キュリウムの半減期は、現在知られているどの高番号元素よりも4桁長い。原子番号101を超えるすべての同位体は、半減期が30時間未満の放射性崩壊を起こす。原子番号82を超える元素（鉛を除く）には、安定同位体がない。^{[67]しかし、まだよくわかっ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」と呼ばれる領域が出現する。カリフォルニア大学のグレン・シーボーグ教授が提唱し、 Z = 114（あるいは120、122、124、126）およびN = 184（あるいはN = 228 ）付近の閉じた原子核殻の安定化効果から生まれたこの概念は、超重元素が予想よりも長く存続する理由を説明しています。[ ^{68] [69]実際、}ラザホージウムよりも重い元素の存在自体が殻効果と安定の島を証明することができます。なぜなら、そのような要因を無視したモデルでは、自発核分裂によりそのような原子核は急速に崩壊するからです。^[70]

^{2016年に行われた、 290}ウブから³³⁹ウブまでのウンビウニウム同位体の半減期の計算では、²⁹⁰ウブから³⁰³ウブは結合せずに陽子放出により崩壊し、³⁰⁴ウブから³¹⁴ウブはアルファ崩壊を起こし、³¹⁵ウブから^{339ウブは自発核分裂を起こすことが示唆された。309 ウブから314}ウブまでの^同位体だけが、実験室で検出できるほど十分に長いアルファ崩壊寿命を持ち、モスコビウム、テネシン、またはウンウンネニウムでの自発核分裂で終わる崩壊連鎖を開始する。もしこれが本当なら、ウンビウニウムの同位体を合成する実験にとって重大な問題となるだろう。なぜなら、アルファ崩壊が観測できる同位体は、現在使用可能な標的と発射体の組み合わせでは到達できないからである。^[71]同じ著者らが2016年と2017年に元素123と125について行った計算では、より到達しやすい核種^300～307 Ubtからのアルファ崩壊連鎖がウンビウニウムを通過してボーリウムまたはニホニウムに至るという、それほど悲観的な結果は示されていない。^[72]また、クラスター崩壊は、 Z = 120を超える領域でのアルファ崩壊や自発核分裂と競合する重要な崩壊モードである可能性も示唆されており、これはこれらの核種の実験的同定にとってさらに別のハードルとなるだろう。^{[73] [74] [75]}

ウンビウニウムは、前例のないほど長い遷移系列の最初の元素になると予測されており、これは以前のアクチニドにならってスーパーアクチニドと呼ばれています。その挙動はランタンやアクチニウムと大きく異なることはないと思われますが、^[1]周期律の適用範囲に制限を設ける可能性があります。121番元素からは、5g、6f、7d、8p _1/2軌道がエネルギーが非常に近いため一緒に埋まると予想され、150番台後半から160番台の元素の周りでは、9s、9p _1/ 2、8p _3/2サブシェルが加わるため、121番と122番（完全な計算が行われた最後の元素）を少し超えた元素の化学は非常に類似しているため、周期表での位置は純粋に形式的な問題となると予想されます。^{[76] [1]}

アウフバウ原理に基づくと、5g サブシェルはウンビウニウム原子で充填され始めると予想されます。しかし、ランタンは化学反応に 4f が大きく関与しているものの、基底状態の気相構成ではまだ 4f 電子を持っていません。5f ではさらに大きな遅延が発生します。5f は化学反応に寄与していますが、アクチニウム原子もトリウム原子も 5f 電子を持っていません。同様の遅延した「放射状」崩壊の状況がウンビウニウムでも発生する可能性があり、5g の化学反応がそれより早く始まる可能性はあるものの、5g 軌道は元素 125 付近まで充填され始めないと予測されます。 5g軌道にはラジアルノードがないため、4f軌道には類似しているが5f軌道には類似していないため、周期表におけるウンビウムの位置は、同族元素の中ではアクチニウムよりもランタンに近いと予想され、ペッカ・ピュイッコはその理由からスーパーアクチノイドを「スーパーランタニド」と改名することを提案した。^[77] 4f軌道にラジアルノードがないため、アクチノイドの5f軌道は価電子に近いが、ランタニド系列ではコアのような振る舞いをする。しかし、5g軌道の相対論的膨張と不安定化により、ラジアルノードがないため範囲が狭いことが部分的に補われるはずである。^[78]

ウンビウニウムは相対論的安定化により8p _{1/2軌道を満たし、[Og] 8s} ² 8p ¹の構成をとると予想される。しかし、ランタンやアクチニウムに類似する [Og] 7d ¹ 8s ^{2構成はわずか 0.412} eVの低励起状態であると予想され、^[79]マデルング則から予想される [Og] 5g ¹ 8s ^{2構成は 2.48 eV であるはずである。 [80]ウンビウニウムのイオンの電子構成は}Ubu ⁺、[Og]8s ² ; Ubu ²⁺、[Og]8s ¹ ; Ubu ³⁺ 、[Og]であると予想される。^[81]ウンビウニウムの8p電子は非常に緩く結合していると予想されるため、その予測イオン化エネルギーは4.45 eVで、ウンビウニウム（4.53 eV）や、カリウムからフランシウムまでのアルカリ金属を除くすべての既知の元素よりも低くなります。イオン化エネルギーの同様の大きな減少は、相対論的効果により異常なs ² p構成を持つ別の元素であるローレンシウムでも見られます。^[1]

電子配置の変化と5g殻の使用の可能性にもかかわらず、ウンビウニウムは、化学的にランタンやアクチニウムと大きく異なる挙動をするとは予想されていません。2016年に行われた一フッ化ウンビウニウム (UbuF) の計算では、この分子のウンビウニウムの価電子軌道と一フッ化アクチニウム (AcF) のアクチニウムの価電子軌道に類似性が示されました。どちらの分子でも、最高被占分子軌道は非結合性であると予想されますが、表面的にはより類似している一フッ化ニホニウム(NhF) では結合性です。ニホニウムの電子配置は [Rn] 5f ¹⁴ 6d ¹⁰ 7s ² 7p ¹で、s ² p の価電子配置です。したがって、ウンビウニウムは、化学的性質に影響を与えない異常なs ² p配置を持つ点でローレンシウムに多少似ている可能性があります。UbuF分子の結合解離エネルギー、結合長、分極率は、スカンジウム、イットリウム、ランタン、アクチニウムを通じて同じ傾向を続けると予想されます。これらはすべて、希ガス核の上に3つの価電子を持っています。Ubu-F結合は、ランタンやアクチニウム一フッ化物と同様に、強く分極していると予想されます。^[2]

UbuF のウンビウニウムの非結合電子は、余分な原子または基と結合できると予想され、その結果、 LaX ₃およびAcX ₃に類似したウンビウニウム三ハロゲン化物 UbuX ₃が形成される。したがって、化合物中のウンビウニウムの主な酸化状態は +3 であるはずであるが、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 および 120 の場合と同様に、より高い酸化状態が許容される可能性がある。^{[1] [2] [77]}相対論的効果はウンビウニウム三ハロゲン化物では小さいようで、UbuBr ₃とLaBr ₃は非常によく似た結合をしているが、前者はよりイオン性であるはずである。^[82] Ubu ³⁺ → Ubuカップルの標準電極電位は -2.1 V と予測される。^[1]