学会賞受賞講演（16:20～17:10）

座長 塚田和明「周期表が書き換わる？

～アクチノイド最後の元素でみつけた
周期表のほころび～」ー第一イオン化エネルギー測定によるアクチノイド系列の確立
ならびに超重元素領域における核化学研究の開拓ー

佐藤 哲也 先生（原子力機構）

木村賞受賞講演（17:20～18:20）

座長 篠原 厚「さらなる新元素を求めて」

ー１１３番元素の発見による放射化学への貢献ー

森田 浩介 先生 （九州大，理研仁科センター）

佐藤哲也 先生

森田浩介 先生

日本放射化学会の創立20周年記念大会をいわき市にて開催するにあたり、本会から木村賞をお受けになる新元素ニホニウムの発見者、森田浩介先生の講演を設けることができました。本会学会賞の佐藤哲也先生の受賞講演と合わせて一般公開いたします。専門的な内容も含まれますが、一般の方にも分かりやすくお話しして頂きますので、是非ご来場下さい。今年はメンデレーエフ周期律発見150周年を記念した「国際周期表年」でもあります。お二人の講演は元素や周期表に係わる興味深いお話になると思います。

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2S01

周期表が書き換わる？
～アクチノイド最後の元素でみつけた周期表のほころび～
学会賞「第一イオン化エネルギー測定によるアクチノイド系列の確立ならびに超重元
素領域における核化学研究の開拓」(原子力機構)○佐藤哲也

G. T. Seaborg により、「アクチノイドの概念 (Actinide concept) 」[1]が提唱され、アクチノイド系列が周期表に現れて 70 余年が経つ。これを足掛かりに新元素合成とその化学的性質の研究が積み重ねられ、2016 年に 113 番元素ニホニウム(Nh)、115 番モスコビウム(Mc)、117 番テネシン(Ts)、そして 118 番元素オガネソン(Og)の命名がなされたことで、ついに第 7 周期が完成し、国際周期表記念年である本年を迎えた。
第 7 周期元素のように原子番号が大きな元素では、その強い中心電荷の影響により、相対論効果による影響が顕著になることが期待されている。 すべての元素に内在するこの相対論効果は、原子番号が大きくなるほど強くなり 、ときには電子配置まで変化させる可能性が指摘されている。すなわち、重・超重元素領域の化学研究は、元素周期表の理解、ひいては周期表がどこまで成り立つのか？という問いに挑戦するものである。
本研究で着目した重アクチノイド元素群のうち、たとえばアクチノイド末端に位置する 103 番元素ローレンシウム(Lr)は、1961 年に A. Ghiorso らによって初めて合成された人工元素であり、もちろん地球上には存在しない。Lr は加速器を用いた重イオン核融合反応によって合成され、生成量は数秒に 1 原子程度と少なく、さらに得られる同位体はすべて短寿命であるため、一度に原子 1 個ないし数個ずつしか実験に供することができない（原子一個の化学）。この状況は、同じく加速器による重イオン反応でしか合成できない 101 番元素メンデレビウム(Md)や 102 番元素ノーベリウム(No)はもちろん、原子炉で生成できる最も重い元素 100 番元素フェルミウム(Fm)でも同様であり、実験の難しさから、これらの元素の化学的性質はほとんど明らかになっていない。
Lr の場合、ランタノイド末端に位置するルテチウム (Lu)の電子配置が[Xe]6s 2 4f 14 5d 1であることを踏まえると、その電子配置は[Rn]7s 2 5f 14 6d 1 と予想できる。しかしながら、相対論効果を考慮した原子軌道計算の結果、Lr 原子では 6d 軌道より 7p 1/2 軌道がより安定化するため、[Rn]7s 2 5f 14 7p 1/2 1 となることが予測された[2]。すなわち、Lr に至って、ついに相対論効果による周期律からの逸脱が期待されることとなった。しかしながら、この理論予測から 40 年以上が経った今日まで、この”周期律のほころび“は、「原子一個の化学」の難しさに阻まれ、実験的に確かめられないままとなっていた。
我々は、この興味深い重アクチノイド元素の性質を明らかにするため、 最外殻電子の束縛エネルギーを直接反映する物理量である第一イオン化エネルギー(IP 1 )に着目し、これを実験的に求めることにより、Lr をはじめとする重アクチノイド元素の電子配置に関する情報を得ることを試みた。
一般に広く利用されている共鳴イオン化法では、「原子一個の化学」的取扱いが要求
Confirmation of the Actinide Series by Measurements of the First Ionization Potentials of the Heavy
Actinides, Fermium (Fm, Z = 100), Mendelevium (Md, Z = 101), Nobelium (No, Z = 102) and
Lawrencium (Lr, Z = 103)
SATO, T. K.

される重アクチノイドの IP 1 測定には適用が難しい。そこで我々は、高温の金属表面で起こるイオン化現象である表面電離過程を応用し 、新しい IP 1 決定法を開発した。表面電離過程は、高温の金属表面に原子を接触させたとき、表面 と原子の相互作用によって、原子がイオン化される現象をいう。我々は、本手法による IP 1 測定を実現するために、装置・技術開発をすすめ[3-5]、Fm, Md, No および Lr の IP 1 を実験的に決定することに成功した[6,7]。
実験は原子力機構タンデム加速器施設で行った。タンデム加速器からの 重イオンビームを 243 Am, 248 Cm および 249 Cf といったアクチノイド標的に照射することで 249 Fm(半減期 2.6 分)、 251 Md(4.27 分)、 257 No(24.5 秒)そして 256 Lr(27 秒)を合成した。合成した核反応生成物をタンタルの表面でイオン化し、そのときのイオン化効率を測定することで、目的元素の IP 1 を求めた。
得られた IP 1 を図 1 に示す。ランタノイドでは、テルビウム(Tb)からイッテルビウム(Yb)まで 4f 電子を充填しながら単調に IP 1 が増加し、Lu で急激に小さくなることが知られている。本研究によって、アクチノイド元素でも同様の構造を観測できた 。このことは、Bk から順に 5f 軌道に電子が充填され、No で準閉殻構造[Rn]7s 2 5f 14 をとり、Lrでゆるく束縛された 1 個の電子を最外殻軌道にもつことを示す。これにより、Lr でアクチノイド系列が終わることを初めて実験的に示すことができた。
さらに我々は、相対論効果を考慮した原子軌道計算をおこない、各元素の IP 1 の理論値を求めた。 得られた 理論値は本研究で得られた実験値と非常によく一致 した。
特に Lr における実験値と理論計算値との一致は、Lr 原子の最外殻電子軌道が 7p 1/2であり、Lr が周期表からの予想とは異なる電子配置をもつことを強く示唆した。
本研究における IP 1 測定の成功は、原子番号が 100 を超える超重元素領域において、原子科学研究を開拓する第一歩となるとともに、この領域で 周期表をどう捉えていくかを考える端緒となった。
IUPAC(国際純正・応用化学連合)は Lu とLr の周期表上の位置について検討を開始した。すでにタスクグループが立ち上げ
図１ . 原 子番号 に対 する IP 1 の 変化 (〇 , ●: ア
られており、議論が進められている[8]。
クチノイド、◇:ランタノイド実験 値。ただし●発表では、一連の研究成果およびその後の反響について述べる。
は本研究で得られたもの)[1] G. T. Seaborg, Science 104 (1946) 379.
[2] J. –P. Desclaux & B. Fricke, J. Phys. 41 (1980) 943.
[3] N. Sato et al., Radiochim. Acta 102 (2014) 211.
[4] T. K. Sato et al., Rev. Sci. Instrum. 84 (2013) 023304.
[5] T. K. Sato et al., J. Radioanal. Nucl. Chem. 303 (2015) 1523.
[6] T. K. Sato et al., Nature 520 (2015) 209.
[7] T. K. Sato et al., J. Am. Chem. Soc. 140 (2018) 14609.
[8] E. Scherri, Chem. Int. 38 (2016) 22.

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さらなる新元素を求めて
木村賞「113 番元素の発見による放射化学への貢献」(九大理院 1 、理研仁科セ 2 )○森田浩介 1,2「すいへーりーべぼくのふね・・・」。こう唱えて周期表にならぶ元素名を記憶した方も多いのではないかと思います。この世界に存在するすべてのものを構成する 90 種類ほどの元素。それらの元素のほとんどは宇宙の進化の中で、物理学者が宇宙の開闢の時と信じるビッグ・バンやその後の星の中で合成されたものです。私たち地球上の生物はそれらの元素を活用して生命活動を維持し、また人類はそれらの元素を天然に存在するものの中から発見し、さまざまな用途に用いてきました。また元素の中には人工合成によって新たに作り出され、発見されてきたものもあります。原子番号が 93以上の元素はすべて人工合成によって合成・発見がなされてきました。残念ながら、
私たちアジアの研究者が元素の発見に成功した例はありませんでした。
私たち理化学研究所（理研）の研究グループは、1980 年代の後半から新元素発見に向けた準備研究を開始し、2003 年に新元素である 113 番元素の合成実験に着手しました。そして 2004 年、2005 年、2012 年に 1 原子ずつ、合計 3 個の 113 番元素の原子を合成し、その崩壊の様子を観測することに成功しました（図 1）。
2015 年大晦日の早朝、国際純正・応用化学連合（IUPAC）からメールが届きました。
我々、理研の研究グループを 113 番元素の発見者と認定することを公表したという内容で、長年待ち望んでいた夢が叶った瞬間でした。その後、元素名「ニホニウム」と元素記号「Nh」を IUPAC に提案し、2016 年 11 月に正式に認められました。
我々は、さらなる新元素の発見を目指して、現在 119 番元素の合成実験を進めています。本講演会では、アジア初、日本発の新元素となったニホニウムと、さらなる新元素の発見に向けた理研の挑戦について解説します。

図 1. 理研で観測された 113 番元素同位体 278 113 の連続 α 崩壊．
In search of further new elements
MORITA, K.