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研究短信

103番元素ローレンシウムの第一イオン化エネルギー測定
Measurement of the first ionization potential oflawrencium, element 103

佐藤

哲也 重元素核科学研究グループ

Tetsuya K. Sato

Research Group for Heavy Element Nuclear Science

現在、地球上では 118 種類の元素が確認されている。
つい最近、113, 115, 117, そして 118 番元素の元素名が提案された。なかでも 113 番元素は、初めて日本に命名権が与えられた元素としてにわかに注目を集めている。
元素周期表を眺めてみると、名実共に第 7 周期が完成され、我々はついに第 8 周期に踏み出そうとしていることがわかる。
このような原子番号が大きい領域の元素を、超重元素と呼ぶ。重い元素領域では、原子核に近い軌道を運動する電子の速さが光速に近づいて、相対論効果による影響を受けるために、最も外側の電子（価電子）軌道までが変化する。価電子軌道は化学的性質を特徴付ける軌道であるため、元素の化学的性質が周期表からの予想と異なる可能性があることが指摘されている [1]。
このような超重元素のひとつ、アクチノイド系列の末端に位置する 103 番元素ローレンシウム（Lr）は、半世紀近く前から“周期性から逸脱する元素”の候補として注目されていた。しかしながら、加速器を用いた重イオン核融合反応でしか生成できず、しかも合成された同位体はすべて短寿命であるという実験上の制約から、その物理的・化学的性質はほとんど明らかになっていない。
実際、これまでに幾度か化学的挙動が調べられたものの、Lr がアクチノイド末端の元素として振舞うかどうかすら実験的に確かめられたことはなかった。
今回、我々のグループは、高温の金属表面で起こる表面電離過程というイオン化プロセスを応用して、Lr の第一イオン化エネルギー（IP1）を求めることに成功した [2]。原子の価電子の結合エネルギーを直接反映するIP1 を調べることで、電子配置に関する情報を得ることができる。求められた Lr の IP1 は 4.76 ± 0.8 eV であり、現在知られているなかで５番目に低いものだった。原子番号に対するアクチノイドおよびランタノイドの IP1 の変化を図 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）まで単調に IP1 が増加し、ルテチウム（Lu）で急激に小さくなることが知られている。今回 Lr が非常に小さい IP1 をもつことが示されたことで、Lr でアクチノイドが終わることがはじめて実験的に確かめられた。一方、相対論効果を考慮した最新の理論計算との比較をおこなったところ、本実験値は、Lr の電子配置が周期表からの予想とは異なることを強く示唆した。
原子番号が 100 を超える重い元素領域で、直接的な原子の情報が求められるのはこれが初めてのことであり、本成果は、超重元素の原子の性質を調べるというあらたな領域を拓くものとして Nature 誌に掲載され、表紙を飾ることとなった。

基礎科学ノート Vol. 23

No.1

February 2017

Currently, 118 elements
are confirmed on the earth.
Just recently, element
names of 113, 115, 117, and
118 have been suggested.
Among them, element
113 is attracting attention
as an element for whichnaming rights are given to Japanese team for the firsttime. Looking at the Periodic Table of the Elements,
we can see that the seventh period is completed forboth in name and reality, and we are finally about totake a step forward into the eighth period.
An element in such a region having a large atomic
number is called a superheavy element. In the heavy
element region, the velocity of an electron moving inan orbital close to the nucleus approaches the speed oflight and the electron is influenced by the relativistic
effect, so that the outermost electron (valence) orbital
could change. It is pointed out that since the valence
electronic orbital would characterize the chemical
properties, the chemical properties of the element may
differ from the expectations from the periodic table[1].
Lawrencium (Lr), one of such superheavy elements,
element 103 located at the end of the actinide series,
has been drawing attention as a candidate for "element
deviating from periodicity" for nearly half a century.
However, due to experimental restrictions that only theheavy ion nuclear fusion reaction using an accelerator
can produce, and all the synthesized isotopes are shortlived, its physical and chemical properties are hardly
elucidated. Actually, although chemical behavior has
been investigated several times so far, it has neverbeen confirmed experimentally even whether Lrbehaves as the last element of the actinide series.
In this work, our group has been successfullymeasured the first ionization energy (IP 1) of Lr byapplying an ionization phenomena called surfaceionization process occurring on a metal surface at hightemperature [2]. Precise and accurate experimental
determination of IP1 gives information on the binding
energy of valence electrons. Obtained IP1 value of Lr
was 4.76 ± 0.8 eV, which was the fifth lowest value
among known elements. Changes in IP 1 of actinides
and lanthanides with atomic numbers are shown inFigure 1. It is known that IP 1 value of lanthanideところで、現在の周期表では、ランタノイドとアクチノイドはそれぞれ Lu と Lr で終わり、それぞれ 3 族元素であるスカンジウム（Sc）、イットリウム（Y）の真下に置かれ、別表に記載されている（図 2）。しかし、かねてより Lu と Lr をランタノイド、アクチノイドと区別し、Sc、Y とともに 3 族元素とすべきという指摘がある。今回、本成果がきっかけとなって 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議論を開始した [3]。既にワーキンググループが立ち上げられ、議論が進められている。注視して見守りたい。

図 1.
原子番号に対するアクチノイドおよびランタノイドの第一イオン化エネルギー（IP1）の変化（● , ● : 実験値 , ○ : 推定値 , *:理論値 [2]）
Fig.1
The first ionization potential of heavy lanthanides（ ● ）and actinides including our present results for Lr（ ● :experimental, ○ estimated value, * : theoretical value forLr [2]）monotonically increases from terbium (Tb) to ytterbium(Yb) and sharply decreases at lutetium (Lu). We haveexperimentally shown that the IP1 value of Lr is
distinctly lower than that of other actinide elements,
this means it has been experimentally confirmed forthe first time that actinide is terminated with Lr.
On the other hand, by comparison between theexperimental value and that calculated with a state-ofthe-art relativistic calculation, this experimental result
strongly suggested that the electronic configuration of
Lr is different from the prediction from the periodictable.
It is the first time that direct information of atom
property was provided in a heavy element region
whose atomic number is greater than 100. This work
was published from Nature and was on its cover pagefor the reason that it opens up new perspectives ondetermining basic atomic properties of the superheavy
elements.
By the way, in the today's periodic table, thelanthanide and the actinide series end with Lu and Lr
respectively. These series are placed directly under
the group 3 elements scandium (Sc) and yttrium (Y)and are listed separately from main table (Figure 2).
However, it has been pointed out that Lu and Lr should
be distinguished from lanthanides and actinides, andput together with Sc and Y as Group 3 elements. The
achievement of this work triggered discussion on thisissue again. IUPAC (International Union of Pure andApplied Chemistry) started discussing the position on
the periodic table of Lu and Lr [3]. A working group
has already been set up and debate is under way.

参考文献

References[1] P. Pyykkö, Chem. Rev. 88, 563 （1988）.
[2] T. K. Sato et al. Nature, 520, 209（2015）.
[3] E. Scherri, Chem. International, March-April 22-23（2016）.

図 2.
元素周期表。第一イオン化エネルギーの大きさが、バーの高さで示されている。
Fig.2
Periodic Table of the Elements (Ln: Lanthanides, An:Actinides). Bar sizes reflect the energies of the firstionization potentials. The result for Lr in our first timemeasurement is shown in red.

基礎科学ノート Vol. 23

No.1

February 201724