安定の島

概念の由来

ジョン・ホイーラーは1955年に103以上の原子番号を持つ超重元素が存在する可能性を提案した。当時知られていた元素以上に安定性が増す領域は、核の殻の概念が最初に解明された1957年に提案された。殻模型は 原子核が原子の中のはるかに大きい電子核構造に似た方法で「殻」の中に構築されている。すなわち、核の殻は通常互いに接近している量子エネルギー準位のグループであるが、時々中性子と陽子の数が核内の所与の殻のエネルギー準位を完全に満たすとき、次の殻を満たし始めるのに必要なエネルギーは非常に大きいということである。これらのいわゆる殻ギャップでは、核子あたりの結合エネルギーは極大値に達する。すなわち、そのような核は閉殻構造を持たないものよりも安定となるだろう。この模型の最初の概念は、既知の閉殻のパターンから安定の島という概念が現れる超重元素への拡張をもたらした。中性子の1つの可能な魔法数は184であり、それと合う可能な陽子数は114, 120, 122, 124, 126である。最も重い安定核²⁰⁸Pbの次のダブルマジック核（閉じた陽子と中性子の核を持つ）は³¹⁰126であると提案されており、これは陽子と中性子ともに魔法数であり、よってこの核は非常に長い半減期を持つと考えられていた。後の計算で²⁹⁸Fl (Z = 114) が次のダブルマジック核となり、³¹⁰126はマイクロ秒以下のα崩壊を受けることが示された。
1965年、「安定の島」の可能性がグレン・シーボーグにより最初に提案され、後にローレンス・バークレー国立研究所の研究者が興味を持つようになった。同位体²⁹⁸Fl (Z = 114, N = 184) は、可能性のあるダブルマジック数により特に興味深い物であった。この「魔法の島」への関心は、いくつかの計算により安定の島の超重原子は数十億年の半減期がある可能性があると示されたことでその後数年で大きくなっていった。安定の島の元素はその高い原子質量にも関わらず自発核分裂に対して特に安定と予測されていた。もし長寿命の超重元素が存在すると、中性子源として粒子加速器におよび非常に低い臨界質量の結果として核兵器に使われるだろうと考えられた。これらの推測により、1960年代70年代には多くの研究者が自然界でおよび粒子加速器による元素合成を用いて超重元素を探究した。

変形核

1990年代初めからの研究により、超重元素が完全に球形である核を持たないことが示された。殻は球形の場合は安定していると見なされる。核の形状が変わると、殻の中の中性子と陽子の位置が変わる。近年の研究により、大きな核が変形し魔法数を球形のものと比べて変化させることが示されている。現在の理論的調査によりZ = 106–108 や N ≈ 160–164の領域では、変形した原子核に対する殻の効果の結果として原子核が核分裂に対してより強い抵抗力があり、よってそのような超重核はα崩壊を受けるだけであるだろうことが示されている。ハッシウム-270は現在ダブルマジック変形核であり、変形魔法数Z = 108, N = 162と考えられている。半減期は10秒である。N = 162近くで隣り合うハッシウムとシーボーギウム同位体の崩壊特性の決定は、変形核における相対的安定の領域についてのさらなる強力な証拠を提供してくれる。

予測される崩壊特性

「島の上の」核種は観測されていないため、安定の島にある核の半減期は未知である。多くの物理学者はこれらの核の半減期は比較的短く、数分から数日のオーダーであると考えている。その半減期は100年のオーダーと長く、10⁹年にもなる可能性があることを示す理論計算もある。
N = 184での閉殻により、アルファ崩壊と自発核分裂の部分半減期がより長くなると予測されている。閉殻は²⁹⁸Fl付近でのより高い分裂障壁をもたらし、核分裂を強く妨げ、これによりおそらくは閉殻に影響を受けない核の分裂半減期よりも半減期が30桁も大きくなると考えられる。例えば、ダブルマジック核²⁹⁸Flは10¹⁹年オーダーの自発核分裂半減期を持つ可能性がある。これは安定化効果の限界を決めていると考えられている既知の中性子欠如同位体²⁸⁴Fl(N = 170)の半減期2.5msよりもずっと長い。未発見の同位体の中にはさらに短い半減期で核分裂を起こし、安定の島を超える超重核の存在と観測可能性を制限すると予測されるものがある（すなわち Z > 120 および N > 184。これらの核はマイクロ秒以下でアルファ崩壊もしくは自発核分裂を起こす可能性がある）。島の中心部においては、アルファ崩壊と自発核分裂の間に競合があるかもしれないが、正確な比率はモデルに強く依存する。100 ≤ Z ≤ 130の1700個の原子核のアルファ崩壊半減期が実験的・理論的アルファ崩壊Q値を用いて量子トンネルモデルで計算されており、いくつかの重い同位体については観測された半減期と一致が見られている。ベータ崩壊は島の中心と予測される場所付近、特に元素111-115の同位体で他の崩壊モードと競合すると予測されているため、最も半減期の長い同位体も同様にベータ安定線上にあると予測されている。全ての崩壊モードを考慮すると、様々なモデルにより島の中心（すなわち最長寿命の核種）の²⁹⁸Flからより低い原子番号へのシフトが示されている。この中には²⁹¹Cnと²⁹³Cnの100年半減期、²⁹⁶Cnの1000年半減期、²⁹⁴Dsの300年半減期（後者2つはN = 184の閉殻）が含まれる。
これらの半減期は超重元素としては比較的長くなるが、地球上に原始的に存在するには短すぎる。原始アクニチド(²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U)と自発および誘導核分裂に対する安定の島の間の中間の核の不安定性は、r過程での核合成におけるそれらの生成を阻害する可能性があるが、宇宙線内で鉛に対して10⁻¹²の存在量で起こる可能性がある。
最も重い超重元素の考えられる強い崩壊モードは、Dorin N. Poenaru,  R.A. Gherghescu, ワルター・グライナーによりクラスタ崩壊であることが示された。それにもかかわらず、これはZ = 122より大きいものの影響が大きく、島の中心が予測よりも高い原子番号でない限り島の中心近くの同位体の崩壊への影響を小さくすると予測されている。

合成での問題

最初の物質として利用可能な核では必要な中性子の合計数にならないため、安定の島の核を作るのは非常に難しいことが分かっている。アクチニドターゲット(²⁴⁸Cmなど)と組み合わせた放射性イオンビーム(⁴⁴Sなど)により安定の島の中心により近い中性子過剰な核の生成を可能になることがあるが、このようなビームはそのような実験をするのに必要な強度では使うことができない。²⁵⁰Cmや²⁵⁴Esのような重い同位体もターゲットとして使えるため、既知の同位体よりも中性子が1,2個多い同位体を作ることができるが、ターゲットを作るためにこれらの希少同位体を数ミリグラム作成することは難しい。また、最も中性子の多い既知の同位体、すなわちpxnやαxn （それぞれ陽子またはアルファ粒子の放出によりいくつかの中性子ができる）チャネルを占める同じ⁴⁸Ca誘導融合蒸発反応における代わりの反応チャネルを調べることも可能と考えられる。これらにより元素111-117の中性子の多い同位体の合成ができる可能性がある。予測されている断面積はxnチャネルのものよりも小さい（1-900 fbのオーダー）が、それでもこれらの反応で他の方法では到達できない超重元素の同位体を生成することが可能であるかもしれない。これらの重い同位体のいくつかは比較的長い半減期のアルファ崩壊に加え電子捕獲を受け、安定の島の中心近くにあると予測される²⁹¹Cnのような原子核に崩壊する。しかし依然としてベータ安定線近くの超重核の特性は未解明であるため、この話はほとんど仮説状態である。
アクチニド核(²³⁸Uや²⁴⁸Cm)の低エネルギー衝突での多核子移行反応において²⁹⁸Flのような安定の島の同位体を生成することも可能でありうる。もしZ = 114付近の殻効果が十分強い場合、ノーベリウムやシーボーギウムのような軽い元素は高い収率を持つと予測されているが、この逆準核分裂（生成物の質量平衡から離れるシフトを伴う部分融合と続いて起こる核分裂）のメカニズムにより、安定の島への方針が手に入る可能性がある。²³⁸U + ²³⁸Uおよび²³⁸U + ²⁴⁸Cmの予備調査はメンデレビウムより重い元素を生産するのに失敗した。ただし後者の反応における収率の増加は（入手可能であれば）²⁵⁴Esのようにさらに重いターゲットの使用が超重元素の作成を可能にするかもしれないことを示唆している。後の²³⁸U + ²³²Thの研究により、104 < Z < 116の新たな中性子過剰の超重元素の同位体に起因するであろう未知のアルファ崩壊がいくつか発見されたが、生成物の原子番号を明確に決定するにはさらなる研究が必要である。この結果は殻効果が断面積に大きな影響を与え、安定の島は移行反応を用いた将来的な実験により達成されるかもしれないことを強く示唆する。

他の安定の島

Z = 114, N = 184付近の主な安定の島を超える閉殻は、さらなる安定の島を生じさせる可能性がある。より重いダブルマジック核の周りに2つの重要な島が存在するかもしれないと考えられている。1つ目は³⁵⁴126（中性子228個）付近であり2つ目は⁴⁷²164もしくは⁴⁸²164（それぞれ中性子308, 318個）付近である。これらの同位体は自発核分裂に特別耐性があり、アルファ崩壊半減期が年単位で測定可能であるため、フレロビウム近くの元素と同程度の安定性を有する。このような概念は2008年のアメリカ化学会第235回全国大会でユーリイ・オガネシアンにより提案された。しかし、そのような重い核の陽子間の十分大きい電磁反発力により安定性が減少し、おそらく未結合共鳴として一時的にしか存在できないであろう。このことは、中間の同位体、そしておそらく「不安定の海」の中の元素は急速に核分裂を起こし本質的に存在しないという理由でこれらの島を主な核図表から孤立させるという付加的な結果をもたらすかもしれない。これらの元素は既知の元素よりもはるかに重いため、それらの合成には新しくより強力な粒子加速器が必要になると考えられている。