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拡張周期表 拡張周期表の予想される構造
Nefedov(ロシア語版)、Trzhaskovskaya、Yarzhemskiiは164番元素までの計算を行い、結果を2006年に発表した。ピューッコやFrickeらとは対照的に、彼らは第5周期遷移金属との電子配置の類似性に注目し、158番元素から164番元素は6族から12族ではなく、4族から10族の同族体であると考えた。RgとCnには、AuとHgとは異なる電子配置を反映するためにアスタリスクが付けられている(論文では、これらは3次元に配置されているように描かれている)。一方で、PtとDsの電子配置の違いは顕著ではないとしている。
計算化学者Andrey Kulshaは、ピューッコの計算を参考にして、Nefedovらによる164番元素までの拡張周期表をもとに、172番元素までの改良された2つの形式を提案した。考えられる化学的性質に基づき、元素157から172は、どちらの形式においても、第8周期のイットリウムからキセノンまでの第5周期の同族元素として位置付けられている。これは、Nefedovらによる157から164のイットリウムからパラジウムまでの配置を拡張するものであり、Frickeらによる化学的類似性と一致している。
Kulshaは、従来の元素へ正確に対応するものが存在しない、121番元素から156番元素までを扱う2つの方法を提案した。彼の最初の形式(2011年、ピューッコの論文が発表された後)では、元素121から138までと、139から156までを2つの別々の列(まとめて「Ultransition elements」と呼ばれる)として配置され、5g18電子殻をコアに追加することによって2つの列を関連付けた。ピューッコによる酸化状態の計算では、それぞれランタノイドとアクチノイドに似ると予想される。彼の2番目の提案(2016年)では、121番元素から142番元素まではgブロックを形成し(5g活性があるため)、元素143から156はアクチニウムからノーベリウムの下に配置されたfブロックを形成する。したがって、第8周期には54の元素が現れ、118番元素の次の貴ガス(液体または固体と予想)は172番元素と考えられる。
2023年、Smits、Düllmann、Indelicato、Nazarewicz、Schwerdtfegerは、電子配置に基づいて周期表の119番から170番までの元素を配置する試みを行った。いくつかの元素(121番から124番までと、168番)は、明確に配置できなかった。145番元素は2回出現し、いくつかの場所は二重に占有され、他の場所は空である。
拡張周期表 未発見の元素の探索
ウンビセプチウムまでの第8周期元素は、ウンビトリウムを除いて合成が試みられているが、成功していない。
ウンウンエンニウムの合成が初めて試みられたのは、1985年にカリフォルニア州バークレーにあるsuperHILAC加速器で、アインスタイニウム254の標的にカルシウム48イオンを衝突させて行われた。
25499Es + 4820Ca → 302119Uue* → no atoms
原子は確認されず，断面積(核反応を起こす割合を表す尺度)の限界は300nbとされた。後の計算では、299Uueと3個の中性子を生成物とする3n反応の断面積は、実際にはこの上限の60万分の1の0.5pbになるとされている。
拡張周期表 未発見の元素の探索
ウンウンエンニウムは未発見の最軽量元素であり、ドイツとロシアによって合成実験の対象となった。 ロシアの実験は2011年に行われたが、結果は公表されず、ウンウンエンニウム原子が確認されなかったのではないかと考えられている。2012年4月から9月にかけて、ドイツのダルムシュタットにある重イオン研究所(GSI)で、バークリウム249を標的にチタン50を衝突させて295Uueと296Uueの同位体を合成する試みが行われた。 理論的に予測される断面積から、実験開始から5ヶ月以内にウンウンエンニウム原子が合成されると予想されていた。さらに、バークリウム 249は327日という短い半減期でカリフォルニウム249(次の元素)に崩壊するため、これにより119番元素と120番元素を同時に探索することが可能であった。
24997Bk + 5022Ti → 299119Uue* → 296119Uue + 3 10n
24997Bk + 5022Ti → 299119Uue* → 295119Uue + 4 10n
拡張周期表 未発見の元素の探索
当初、実験は2012年11月まで行われる予定であったが、テネシンの合成を確認するために249Bkのターゲットを利用するため(衝突させるイオンをチタン50からカルシウム48に変更)、早期に中止された。 この249Bkと50Tiの反応は、やや非対称であり、やや冷たい合成反応であるが、ウンウンエンニウムの生成に最も好ましい実用的な反応であると予測されていた(254Esと48Caの反応の方が優れているが、標的用にミリグラム量の254Esを準備するのは難しい)。とはいえ、「銀の弾丸」である48Caから50Tiへと変更する必要があり、ウンウンエンニウムの収量は核融合反応の非対称性に強く依存しているため、期待される収量は約20分の1になってしまう。
半減期が短いと予測されたため、GSIのチームはマイクロ秒以内に崩壊イベントを記録できる新しい「高速」機器を使用した。ウンウンエンニウム原子は特定されず、限界断面積は70fbと考えられる。予測される実際の断面積は約40fbであり、これは現在の技術の限界である。
拡張周期表 未発見の元素の探索
理化学研究所(理研、埼玉県和光市)のチームは、2018年1月にキュリウム248の標的をバナジウム51のビームで照射し、119番元素の探索を開始した。より重いバークリウムやカリホルニウムではなくキュリウムが選ばれたのは、これらのより重い元素は用意が難しいためである。248Cmはオークリッジ国立研究所から提供された。理研は高強度バナジウムビームを開発した。実験はサイクロトロンで始まり、その間に理研は線形加速器をアップグレードし、アップグレードは2020年に完了した。最初の元素合成が観測されるまで、両方の機器で照射を続けることができる。実験は現在、少なくとも年間100日間断続的に実行されている。
JINRのチームは将来、おそらく243Am + 54Crの反応を使用して119番元素の合成を試みることを計画しているが、正確な時期は公表されていない。
2006年に、249Cfと48Caの反応でオガネソンを得ることに成功したドゥブナ合同原子核研究所(JINR)のチームは、58Feと244Puの原子核からウンビニリウム(120番元素)を作ることを目指して、2007年3月から4月にかけて同様の実験を開始した。ウンビニリウムの同位体は、アルファ崩壊の半減期がマイクロ秒のオーダーであると予想されている。初期の分析ではウンビニリウムの原子は生成されず、エネルギーの限界断面積は400fbという結果であった。
拡張周期表 未発見の元素の探索
24494Pu + 5826Fe → 302120Ubn* → no atoms
ロシアのチームは、この反応に再挑戦する前に設備を更新することを計画していた。
2007年4月、ドイツのダルムシュタットにある重イオン研究所(GSI)のチームは、ウラン238とニッケル64を用いてウンビニリウムの生成を試みた。
23892U + 6428Ni → 302120Ubn* → no atoms
原子は検出されず、このエネルギーでの断面積は1.6pbであった。GSIは、2007年4月から5月、2008年1月から3月、2008年9月から10月の3回にわたり、より高い感度で実験を繰り返したが、いずれも否定的な結果となり、断面積の限界値は90fbであった。
GSIでは、より多くの放射性ターゲットを使用できるように装置を更新した後、2010年6月から7月、および2011年に、より非対称な核融合反応を試みた。
24896Cm + 5424Cr → 302120Ubn* → no atoms
拡張周期表 未発見の元素の探索
このような反応の収率は、その非対称性に強く依存しているため、反応の変化によってウンビニリウムの合成確率が5倍になることが期待されていた。 その結果、299Ubnとその娘核295Ogの予測されるアルファ崩壊のエネルギーと、そのまた娘核である291Lvの実験的に知られている崩壊エネルギーに一致する3つの相関信号が観測されたが、これらの可能性のある崩壊の寿命が予想よりもずっと長く、結果を確認することはできなかった。
2011年8月から10月にかけて、GSIの別チームがTASCA施設を使って、さらに非対称な新しい反応を試みた。
24998Cf + 5022Ti → 299120Ubn* → no atoms
拡張周期表 未発見の元素の探索
249Cfと50Tiの反応は、その非対称性から、ウンビニリウムの合成に最も適した実用的な反応であると予測されていたが、やや冷たい合成反応でもある。ウンビニリウムの原子は確認されず、限界断面積は200fbであることが示唆された。Jens Volker Kratzは、これらのどの反応によってもウンビニリウムを生成できる実際の最大断面積は0.1fb程度であると予測した。これに対して、成功した反応の最小断面積の世界記録は、209Bi(70Zn,n)278Nhという反応の30fbであり、Kratzは隣のウンウンエンニウムを生成するための最大断面積を20fbと予測した。 これらの予測が正確であれば、ウンウンエンニウムの合成は現在の技術の限界であり、ウンビニリウムの合成には新しい手法が必要になるだろう。
拡張周期表 未発見の元素の探索
2021年5月、JINRは新しい施設で249Cf+50Tiの反応を調査する計画を発表した。しかし、249Cfの標的は米国のオークリッジ国立研究所によって作成される必要があり、2022年2月にロシアのウクライナ侵攻が始まった後は、制裁のためJINRと他の研究所との協力は完全に停止した。その結果、JINRは現在、代わりに248Cm+54Crの反応を試みることを計画している。 54Cr発射体を使用するための準備実験が2023年末に実施され、238U+54Cr反応で288Lvの合成に成功した。120番元素を合成する実験が2025年に開始されることが期待されている。
2022年から、米国カリフォルニア州バークレーにあるローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)で、88インチのサイクロトロンを使用し、50Ti発射体を使用して新しい元素を合成する試みも行われている。計画では、2023年末にまずプルトニウムを用いてリバモリウム(116番元素)を生成する実験を行うことになっている。それが成功すれば、249Cf+50Ti反応で120番元素を生成する試みが、早ければ2024年に開始されることになる。
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重イオン研究所(GSI)で、ウラン238を標的にして銅65イオンを照射することで初めて試みられた。
拡張周期表 未発見の元素の探索
23892U + 6529Cu → 303121Ubu* → no atoms
原子は確認されなかった。
ウンビビウムの合成は、1972年にドゥブナ合同原子核研究所(JINR)のゲオルギー・フリョロフらによって、重イオンによる熱核融合反応を利用して初めて試みられた。
23892U + 66,6830Zn → 304, 306122Ubb* → no atoms
この実験は、N = 184、Z > 120に安定の島が存在するという初期の予測に基づいて行われた。原子は検出されず、収率限界は5nb(5,000pb)と測定された。現在の結果(フレロビウム参照)では、これらの実験の感度は少なくとも3桁は低かったことが示されている。
2000年には、ドイツの重イオン研究所(GSI)のチームが、より高い感度で類似した実験を行った。
23892U + 7030Zn → 308122Ubb* → no atoms
これらの結果は、このような重い元素の合成は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向上が必要であることを示している。より質の高い結果を得るためには、将来的には感度を1fbまで上げる必要がある。
ウンビビウムの合成は、1978年にもGSIで行われ、天然のエルビウムを標的にキセノン136イオンを照射したが原子は確認されなかった。
拡張周期表 未発見の元素の探索
nat68Er + 13654Xe → 298, 300, 302, 303, 304, 306122Ubb* → no atoms
特に、170Erと136Xeの反応では、半減期がマイクロ秒のアルファ線が発生し、半減期が数時間にも及ぶフレロビウムの同位体に崩壊すると予想されていた。フレロビウムは安定の島の中心近くにあると予測されていたためである。しかし12時間照射しても、この反応は起こらなかった。同じように238Uと65Cuからウンビビウムを合成しようとしたが成功しなかった。超重核の半減期は1マイクロ秒以下であるか、あるいは断面積が非常に小さいと結論づけられた。 超重元素の合成に関する最近の研究では、この2つの結論が正しいことが示唆されている。ウンビビウムを合成する1970年代の2つの試みは両方とも、超重元素が潜在的に自然に存在する可能性があるかどうかを調査する研究によって推進された。
拡張周期表 未発見の元素の探索
306Ubbのような様々な超重核化合物核の核分裂特性を調べるいくつかの実験が、2000年から2004年にかけて、ロシアのドゥブナ合同原子核研究所(JINR)で行われた。2つの核反応、すなわち248Cm + 58Feと242Pu + 64Niについて実施された。その結果、超重核は主に132Sn(Z = 50、N = 82)のような閉殻核を排出して核分裂することが明らかになった。また、48Caと58Feの発射体では、核融合-核分裂経路の収率が同程度であることが判明し、将来的に58Feの発射体を超重元素生成に利用できる可能性が示唆された。
フランスのカーンにあるGANIL(Grand Accélérateur National d'Ions Lourds、国立重イオン大型加速器)の科学者たちは、この領域での殻模型効果を探り、次の球状陽子殻を突き止めるために、Z = 114、120、124の元素の複合核の直接核分裂と遅延核分裂を測定しようとした。これは、原子核の殻が完全であれば(あるいは陽子や中性子が魔法数であれば）、超重元素の原子核の安定性が高まり、安定の島に近づくことになるからである。2006年には、天然のゲルマニウムにウランイオンを衝突させた反応の結果が発表され、2008年には完全な結果が発表された。
拡張周期表 未発見の元素の探索
23892U + nat32Ge → 308, 310, 311, 312, 314124Ubq* → fission
研究チームは、半減期が10-18秒以上の複合核の核分裂を確認できたことを報告した。この結果は、Z = 124で強い安定化効果があることを示唆しており、次の陽子殻が、従来考えられていたZ = 114ではなく、Z > 120であることを示している。複合核とは、まだ核の殻に収まっていない核子のゆるやかな組み合わせである。内部構造を持たず、標的核と発射核の衝突力のみで結合している。核子が核の殻に収まるまでには約10-14秒かかると言われており、その時点で複合核は核子となる。IUPACではこの数字を、発見された同位体と認められるために必要な最小半減期としている。そのため、GANILの実験は124番元素の発見にはならない。
複合核312124の核分裂は，2006年にイタリアのレニャーロ国立研究所(Laboratori Nazionali di Legnaro)にあるタンデムALPI重イオン加速器でも研究されている。
23290Th + 8034Se → 312124Ubq* → fission
拡張周期表 未発見の元素の探索
ドゥブナ合同原子核研究所(JINR)で行われた過去の実験と同様に、核分裂片は132Sn(Z = 50、N = 82)のような二重魔法数の周りに集まっており、超重核が核分裂でこのような二重魔法数の核子を排出する傾向があることが明らかになった。また、312124複合核からの核分裂1回あたりの平均中性子数も(軽い系に比べて)増加しており、重い核が核分裂でより多くの中性子を放出する傾向が超重質量領域まで続いていることが確認された。
1970年から1971年にかけて、ドゥブナ合同原子核研究所で亜鉛イオンとアメリシウム243の標的を用いて、最初で唯一のウンビペンチウムの合成が行われた。
24395Am + 66, 6830Zn → 309, 311125Ubp* → no atoms
原子は検出されず，断面積の限界は5nbと決定された。この実験は、Z ~ 126やN ~ 184付近の原子核がより安定である可能性に基づいて行われたが、最近の研究では，安定の島はむしろより低い原子番号(コペルニシウム、Z = 112など）にあるのではないかと考えられており、ウンビペンチウムのような重い元素の合成には、より感度の高い実験が必要であるとされている。
拡張周期表 未発見の元素の探索
1971年にCERN(欧州合同素粒子原子核研究機構)でRené BimbotとJohn M. Alexanderが熱核融合反応を用いてウンビヘキシウムの合成を試みたが、成功しなかった。
23290Th + 8436Kr → 316126Ubh* → no atoms
高エネルギー(13から15MeV)のアルファ粒子が観測され、ウンビヘキシウムの合成の証拠となる可能性があるとされた。その後、より高い感度での実験に失敗したことから、この実験の10mbの感度は低すぎたと考えられ、この反応でウンビヘキシウムの原子核が生成される可能性は極めて低いと考えられている。
1978年、重イオン研究所(GSI)のUNILAC加速器で、天然タンタルを標的にキセノン136イオンを照射し、ウンビセプチウムを合成する最初で唯一の試みが行われたが、成功しなかった。
nat73Ta + 13654Xe → 316, 317127Ubs* → no atoms
1976年、アメリカの複数の大学の研究者グループが、鉱物による原因不明の放射線障害(特に放射性ハロー(en:Pleochroic halo))の原因として、原生的な超重元素、主にリバモリウム、ウンビクアジウム、ウンビヘキシウム、ウンビセプチウムがあると提唱した。 これを受けて、1976年から1983年にかけて、多くの研究者が自然界での探索を行った。1976年、カリフォルニア大学デービス校のTom Cahill教授のグループは、観察された障害を引き起こすのに該当するエネルギーのアルファ粒子とX線を検出したと主張し、これらの元素の存在を裏付けた。特に、長寿命(109年オーダー)のウンビクアジウムとウンビヘキシウムの原子核および、その崩壊生成物の存在が推測され、その存在量は同族体のウランやプルトニウムと比較して10−11であるとされた。 他の人々は、何も検出されなかったと主張し、原初の超重原子核の提案された特徴に疑問を呈した。特に彼らは、そのような超重核はN = 184またはN = 228で閉じた中性子殻を持っていなければならず、安定性を高めるために必要なこの条件は、リバモリウムの中性子不足の同位体または、(ほとんどの天然に存在する同位体とは異なり)ベータ安定性を持たない他の元素の中性子過剰同位体にしか存在しないことを挙げていた。 また超重元素は、天然のセリウムの核変換によって引き起こされたとも提案されており、超重元素の観測と主張していたものの、さらに曖昧さを増していた。
2008年4月24日、ヘブライ大学のAmnon Marinovを中心とするグループが、自然界に存在するトリウムの鉱床から、トリウムに対して10−11から10−12の割合でウンビビウム292の単原子を発見したと主張した。Marinovらの主張は、一部の科学者から批判された。Marinovは、ネイチャー誌とネイチャー フィジクス誌に論文を投稿したが、査読に回さずに両誌から断られたと主張していた。ウンビビウム292原子は超変形または過変形された核異性体であり、半減期は少なくとも1億年であると主張していた。
2008年のフィジカル・レビューC誌に、質量分析法でより軽いトリウムの同位体を識別すると称して使われていた、この技術に対する批判が掲載された。掲載されたコメントの後に、Marinovらによる反論がフィジカル・レビューC誌に掲載された。
加速器質量分析(AMS)の優れた方法を使用したトリウムの繰り返し実験では、感度が100倍優れているにもかかわらず、結果を確認できなかった。この結果は、Marinovらが主張するトリウム、レントゲニウム、ウンビビウムの長寿命同位体に関する結果に大きな疑問を投げかけるものであった。ウンビビウムの痕跡が一部のトリウム試料にのみ存在する可能性はあるが、見込みは薄い。
現在の地球上に原生超重元素がどの程度存在しうるかは不確かである。それらがずっと前に放射線損傷を引き起こしたことが確認されたとしても、それらは今では単なる痕跡に崩壊したか、あるいは完全になくなったかもしれない。そのような超重元素の原子核が自然に生成されるかどうかも不確かである。というのも、自発核分裂によって、質量数270から290の間で重元素生成の原因となるr過程を終了させると予想されており、ウンビニリウムよりも重い元素が生成されるずっと前に終了するからである。
最近の仮説では、プシビルスキ星のスペクトルを用いて、フレロビウム、ウンビニリウム、ウンビヘキシウムの天然での存在を説明しようとしている。
拡張周期表 未発見元素の一覧
シーボーグの拡張周期表を元にした、未発見元素の一覧を示す。
以下の表において、「元素記号」の列の背景色は元素のブロックと次のように対応する。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
118番元素のオガネソンは、これまでに合成された元素の中で最も重い元素である。次の2つの元素、119番元素と120番元素はそれぞれアルカリ金属とアルカリ土類金属の8s元素になると思われる。120番元素を超えると超アクチノイド系列が始まると予想されており、8s電子と8p1/2、7d3/2、6f、5gの各電子殻の充填によって、これらの元素の化学的性質が決定される。122番より大きい元素については状態が非常に複雑であるため、完全で正確なCCSD計算はできない。5g、6fおよび7d軌道はほぼ同じエネルギー準位を持ち、160番元素の領域では、9s、8p3/2、9p1/2の各軌道もほぼ同じエネルギーになると考えられる。これにより電子殻が混ざり合い、ブロックの概念がうまく適用されなくなる。また、一部の元素を周期表に配置するのが非常に困難になる新しい化学的性質が生じると予想される。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
第8周期における最初の2つの元素は、119番元素のウンウンエンニウムと120番元素のウンビニリウムである。これらの元素の電子配置は、8s軌道が満たされると思われる。この軌道は相対論的に安定し収縮しているので、119番元素と120番元素は、周期表直上のフランシウムやラジウムよりも、ルビジウムやストロンチウムに似ていると考えられる。8s軌道の相対論的収縮によるもう一つの効果は、これら2つの元素の原子半径が、フランシウムやラジウムの原子半径とほぼ同じになることである。これらの元素は、通常のアルカリ金属やアルカリ土類金属のように振る舞い(周期表直上の元素よりも反応性は低い)、通常はそれぞれ+1と+2の酸化数を取るが、7p3/2電子殻の相対論的な不安定さと7p3/2電子の比較的低いイオン化エネルギーにより、それぞれ+3や+4のような高い酸化数も可能になると考えられる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
ロシアの化学者Nefedov(ロシア語版)らによると、超アクチノイド元素は121番元素から157番元素までと考えられており、第8周期の5g、6f元素と一部の7d元素に分類される。超アクチノイド系列では、7d3/2、8p1/2、6f5/2、5g7/2の各電子殻が同時に満たされると予想される。これは非常に複雑な状態となるため、完全で正確なCCSD計算は121番元素と122番元素に対してのみ適用される。最初の超アクチノイド元素であるウンビウニウム(121番元素)は、ランタンやアクチニウムと似ていると考えられる。主な酸化状態は+3であるが、価電子殻のエネルギー準位が近いため、119番元素や120番元素のように、より高い酸化数を取る可能性がある。8p電子殻が相対論的に安定しているので、121番元素の基底状態における価電子配置は8s28p1となり、ランタンやアクチニウムのds2配置とは対照的である。しかし、この異常な配置は計算上の化学的性質に影響を与えないようで、性質はアクチニウムと似ていると考えられる。第一イオン化エネルギーは429.4 kJ/molと予想され、アルカリ金属のカリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウムを除くすべての既知の元素よりも低く、この値は第8周期のアルカリ金属であるウンウンエンニウム(463.1 kJ/mol)よりもさらに低い。同様に、次の超アクチノイド元素であるウンビビウム(122番元素)は、セリウムやトリウムと似ており、主な酸化数は+4と予想される。基底状態では7d18s28p1か8s28p2の価電子配置を持ち、トリウムの6d27s2配置とは異なると考えられる。したがって、第一イオン化エネルギーはトリウムよりも小さくなる(Th: 6.3 eV; Ubb: 5.6 eV)。これは、ウンビビウムの8p1/2電子がトリウムの6d電子よりもイオン化しやすいことによる。5g軌道の軌道崩壊(原子番号が大きくなる際、他の電子軌道よりもエネルギー準位が小さくなること)は125番元素あたりまで遅れる。電子数が119のときの等電子的な電子配置は、119番元素から122番元素では[Og]8s1、123番元素と124番元素では[Og]6f1、125番元素以降では[Og]5g1になると予想されている。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
原子番号の小さい超アクチノイド元素では電子の結合エネルギーが十分に小さく、すべての価電子を電離することができると予測されている。例えば、ウンビヘキシウム(126番元素)は、容易に+8の酸化数を取ることができ、次のいくつかの元素ではさらに高い酸化数が可能であると考えられる。ウンビヘキシウムは、他のさまざまな酸化数を示すことも予測されている。最近の計算では、ウンビヘキシウムの5g軌道とフッ素の2p軌道の間の結合相互作用によって、安定な一フッ化物UbhFができる可能性が示唆されている。 その他の予測される酸化数には+2、+4、+6などがあり、+4はウンビヘキシウムにおける最も普通の酸化数であると予想されている。ウンビセプチウム(125番元素)からウンビエンニウム(129番元素)までの超アクチノイド元素は+6の酸化数を示し六フッ化物を形成すると予測されているが、UbpF6とUbhF6は比較的弱い結合になると予測されている。 結合解離エネルギーは127番元素で大きく増加し、129番元素ではさらに増加すると予測されている。このことは、125番元素フッ化物の強いイオン性から、129番元素フッ化物における8p軌道を含んだ共有結合性への移行を示唆している。これら超アクチノイド元素六フッ化物における結合のほとんどは、六フッ化ウランのようにウランが5fと6dの軌道を使って結合するのではなく、超アクチノイド元素で最もエネルギー準位の高い8p電子殻とフッ素の2p電子殻の間で行われる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
初期の超アクチノイド元素は高い酸化数に達することができるにもかかわらず、5g電子は最もイオン化しにくいと計算されている、Ubp6+とUbh7+イオンは5g1配置になると予想されており、これはNp6+イオンの5f1配置に似ている。 似たような挙動は化学的活性の低いランタノイドの4f電子でも見られるが、これは5g軌道が小さく、電子雲に深く埋もれていることに起因する。 現在知られている元素の基底状態の電子配置には存在しないg軌道の電子が存在することで、未知の混成軌道が形成され、超アクチノイド元素の化学的性質に新たな影響を与えると考えられる。だが既知の元素にg軌道電子が存在しないため、超アクチノイド元素の化学的性質を予測することは困難である。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
超アクチノイド元素の後半では、酸化数が低くなると予想される。132番元素では、最も安定した酸化数は+6のみが主となり、144番元素ではさらに+3と+4へ減少し、超アクチノイド系列の最後では+2(場合によっては0)となると考えられる。これは、その時点で充填される6f電子殻が電子雲の奥深くにあり、8sおよび8p1/2電子が強く結合しているため、化学的に活性とならないためである。5g電子殻が満たされるのは144番元素、6f電子殻が満たされるのは154番元素あたりと予想されるが、この領域の超アクチノイド元素では、8p1/2電子が強く結合して化学的に活性ではなくなり、化学反応に関与できるのは数個の電子だけになる。Frickeらの計算によると、154番元素で6f電子軌道が満たされ、化学的に不活性な8s殻と8p1/2殻の外側には、d軌道または他の電子の波動関数がないと予測されている。これにより、154番元素は貴ガスのような性質を持ち、むしろ不活性である可能性がある。それにもかかわらず、ピューッコの計算では、155番元素は6f電子がイオン化可能であると予想している。Upp3+は6f電子殻が満たされ、第4イオン化ポテンシャルは、+4価のテルビウムとジスプロシウムの間になると考えられる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
ランタノイドやアクチノイドの収縮と同様に、超アクチノイド元素のイオン半径が予想よりも小さい超アクチノイド系列では、超アクチノイドの収縮が起こると思われる。ランタノイドおよびアクチノイドの波動関数は5f軌道に比べ4f軌道でより局在化しているため、アクチノイドよりもランタノイドの方が収縮率が大きい。ランタノイド、アクチノイド、超アクチノイドで外殻電子の波動関数を比較すると、超アクチノイドでは1元素あたり約2pmの収縮が予想される。これはランタノイドとアクチノイドの収縮よりも小さいが、ランタノイドとアクチノイドではそれぞれ4f軌道と5f軌道に14個の電子が満たされるのに対し、超アクチノイドでは深く埋もれている5g軌道と6f軌道に32個の電子が満たされるため、全体の効果は大きくなる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
ペッカ・ピューッコは、超アクチノイドを3つに分類した。5g系列(121番元素から138番元素まで)、8p1/2系列(139番元素から140番元素まで)、6f系列(141番元素から155番元素まで)。これらはエネルギー準位間の重複が多く、初期の超アクチノイド原子やイオンでは6f、7d、8p1/2軌道も占有されている可能性がある。また彼は、これらが「超ランタノイド」に近い挙動を示すと予想している。5g電子はほとんど化学的に不活性であることと、各ランタノイドの1つか2つの4f電子だけが化合物でイオン化されるのに似ているという意味である。彼はまた、超アクチノイド元素の取りうる酸化数は6f系列で非常に高くなり、148番元素では+12のような値になるかもしれないと予想した。
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Andrey Kulshaは、121番から156番までの36個の元素を「Ultransition elements」と呼び、121番から138番までと139番から156番まで、18個ずつ2系列の元素に分けて考えることを提案した。1つ目はランタノイドに類似した元素群で、酸化数は主に+4から+6の範囲、5g電子殻の充填が支配的であり、ウラン、ネプツニウム、プルトニウムのように隣り合う元素は互いに非常によく似ていると考えた。最初(140番台の元素あたり)は、6f電子殻が7d電子殻より優先されるため非常に高い酸化数が予想されるが、その後典型的な酸化数は下がり、150番台以降の元素では8p1/2電子によって化学的に活性ではなくなる。この18元素2系列は5g18電子殻によって分離されているため、互いに類似体であると考えることができる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
後半の超アクチノイド元素の例として、156番元素は主に+2の酸化数を示すと予想されるが、これは安定した[Og]5g186f148s28p21/2電子配置の上に電離しやすい7d2電子があるためである。これはノーベリウムのより重い同族体と考えることができ、安定した[Rn]5f14電子配置の上に電離しやすい7s2電子のペアを持つため、通常は+2価であるのと同様である(+3価のノーベリウムを得るためには強力な酸化剤が必要である)。 その第一イオン化エネルギーは約400kJ/mol、金属半径は約170ピコメートルと予想される。原子量は445u前後で、密度は約26g/cm3と非常に重い金属であると推定される。
第8周期の7d遷移金属は157番元素から166番元素までと予想されている。これらの元素では8sと8p1/2電子が非常に強く結合しているため、いかなる化学反応にも関与しないと考えられるが、9sと9p1/2軌道は容易に混成すると予想される。 これらの7d元素は、4d元素のイットリウムからカドミウムに似ていると思われる。 特に、7d109s0電子配置を持つ164番元素は、4d105s0電子配置を持つパラジウムと明確な類似性がある。
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第8周期遷移元素の貴金属は、より軽い同族元素ほどの貴金属性を示さないと考えられている。遮蔽のための外側のs殻がないことと、相対論的効果により7d電子殻が2つの副殻に強く分かれるためである。このため、7d遷移金属の第一イオン化エネルギーは、より軽い同族元素の第一イオン化エネルギーよりも小さくなっている。
ウンヘキサクアジウムの化学への関心は、理論的な予測に大きく向けられている。特に、472Uhqと482Uhqの同位体(陽子が164個、中性子が308個または318個)が、仮想的な第2の安定の島の中心になるという予測がされている点である(第1の島はコペルニシウム、特に半減期が数百年または数千年と予想される同位体291Cn、293Cn、296Cnが中心である)。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
計算上、164番元素(ウンヘキサクアジウム)の7d電子は化学反応に対して非常に関与しやすいと予測されるため、ウンヘキサクアジウムは通常の+2価に加えて、強い配位子を持つ水溶液中で安定した+6および+4の酸化数を示すと予想される。このため、ウンヘキサクアジウムは、Uhq(CO)4、Uhq(PF3)4(いずれも対応するパラジウム化合物と同様に四面体)、Uhq(CN)2−2(直線形分子構造)のような化合物を形成することができると考えられ、これは鉛の挙動とは非常に異なる。もし相対論的な影響がなければ、ウンヘキサクアジウムはより重い鉛の同族体となっていたであろう。とはいえ、水溶液中では2価の状態が主であり(ただし、より強い配位子を用いれば、+4や+6の状態も可能である)、ウンヘキサクアジウム(II)はウンヘキサクアジウム(IV)やウンヘキサクアジウム(VI)よりも鉛に近い挙動を示すと考えられる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
ウンヘキサクアジウムはやわらかいルイス酸であり、Ahrlands硬度は4eVに近いと予測される。ウンヘキサクアジウムは中程度の反応性であり、第一イオン化エネルギーはモリブデンに近く、約685kJ/molと予想される。ランタノイド、アクチノイド、超アクチノイドの収縮により、ウンヘキサクアジウムの金属半径はわずか158pmであり、はるかに軽い元素のマグネシウムと非常に近い(ウンヘキサクアジウムの予想原子量は約474uであり、マグネシウム原子量の約19.5倍であるにもかかわらず、である)。 この半径の小ささと重量の大きさから、密度は約46g·cm−3と非常に高く、現在知られている元素の中で最も密度の高いオスミウムの22.61g·cm−3の2倍以上になると予想されている。ウンヘキサクアジウムは、周期表の172元素の中で2番目に密度の高い元素であると考えられ、これより密度が高いのは隣のウンヘキサトリウム(163番元素)の47g·cm−3のみと予想されている。 金属状態のウンヘキサクアジウムは、共有結合による凝集エネルギー(結晶化エンタルピー)が非常に大きく、その結果、融点が高くなると考えられる。金属状態のウンヘキサクアジウムは、パラジウムや白金に似た貴金属であると予想されている。Frickeらは、閉殻構造を持ちイオン化エネルギーが似ているオガネソンとの類似性を示唆しているが、オガネソンが反応しやすい貴ガスであるのに対し、ウンヘキサクアジウムは反応しにくい貴金属であると述べている。
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最後の2つの7d金属である元素165(ウンヘキサペンチウム)と166(ウンヘキサヘキシウム)は、それぞれ+1と+2の酸化数を取り、アルカリ金属とアルカリ土類金属と同様の挙動を示すと予想される。相対論的な効果により、9s電子は非相対論的な計算で予測されるよりもはるかに強く結合するため、9s電子のイオン化エネルギーはナトリウムやマグネシウムの3s電子のイオン化エネルギーに匹敵すると考えられる。165番元素と166番元素は通常それぞれ+1と+2の酸化数を示すと思われるが、7d電子のイオン化エネルギーが十分に低いため、元素165は+3価のような高い酸化数も可能である。166番元素の酸化数+4は起こりにくく、11族と12族のより軽い元素(特に金と水銀)と似た状態を作ると思われる。166番元素はコペルニシウムではなく水銀のようにUhh2+にイオン化し、d電子ではなくs電子を失って7d10配置になり、12族元素の亜鉛、カドミウム、水銀のような遷移金属の性質を持たない「相対性の低い」状態になると予想される
。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
周期表の次の6つの元素は、第8周期での最後の元素群になると予想され、5p元素のインジウムからキセノンに似ていると考えられる。 167番元素から172番元素では、9p1/2電子殻と8p3/2電子殻が満たされると予想される。これらのエネルギー固有値は非常に近いため、非相対論的な2pと3pの電子軌道と同様に、1つの結合したp軌道として振る舞う。したがって不活性電子対効果は起こらず、167番元素から170番元素までの最も一般的な酸化数はそれぞれ+3、+4、+5、+6になると予想される。171番元素(ウンセプトウニウム)は、酸化数を-1から+7まで取りハロゲンに似た性質を示すが、物性は金属に近いと予想される。電子親和力は3.0eVで、ハロゲン化水素に似たHUsuを形成できると考えられる。Usu−イオンはヨウ化物(I−)のようなやわらかい塩基になると予想されている。172番元素(ウンセプトビウム)は、イオン化エネルギーが非常に似ていることから(Xe, 1170.4 kJ/mol; Usb, 1090 kJ/mol)、キセノンと同じような化学的挙動を示す貴ガスになると予想されている。両者の唯一の主な違いは、172番元素はキセノンと異なり原子量がはるかに大きいため、標準状態では液体または固体になると予想されることである。ウンセプトビウムは、より軽い同族体であるキセノンと同様に、フッ化物や酸化物を形成する強いルイス酸であると予想される。165-172番元素が第2周期や第3周期に類似していることから、Frickeらはこれらの元素が周期表の第9周期を形成すると考え、一方で第8周期は貴金属の164番元素で終わると考えた。この第9周期は、第2、第3周期と同様に、遷移金属を持たないと予想されている。しかし、165番と166番元素については類推が不完全である。新しいs電子殻(9s)は始まるが、これはd電子殻の上にあり、化学的には11族および12族により類似している。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
原子番号が172を超えると、少なくとも6g、7f、8d、10s、10p1/2、そしておそらく6h11/2の電子殻が満たされる可能性がある。これらの電子は非常に緩く結合しており、非常に高い酸化数に到達できる可能性があるが、イオン価が増えると電子はより強固に結合することになる。したがって、非常に長い超アクチノイドのような遷移系列がおそらく存在するだろう。
173番元素(ウンセプトトリウム)では、一番外側の電子が6g7/2、9p3/2、または 10s電子殻に入る。スピン軌道相互作用によって、これらの電子殻と8p3/2の間に非常に大きなエネルギーギャップが生じるため、この最外殻の電子は非常に緩く結合し、非常に簡単に電離してUst+カチオンを形成すると予想される。その結果、173番元素は化学的にはアルカリ金属のように振る舞い、セシウムよりもはるかに反応性が高いと予想されている(フランシウムと119番元素は相対論的効果のためにセシウムよりも反応性が低い)。セシウムの実験的に知られているイオン化エネルギー3.894eVに対し、173番元素の計算された値は3.070 eVである。174番元素 (ウンセプトクアジウム)では8d電子が追加され、閉殻のUsq2+カチオンを形成する可能性があり、イオン化エネルギーの計算値は3.614 eVである。
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元素184(ウンオクタクアジウム)は、当初陽子数184がマジックナンバーになると推測されていたため、初期の予測ではかなり関心を集めていた。電子配置は[Usb] 6g5 7f4 8d3で、少なくとも7fと8dの電子が化学的に活性であると予測されている。この物質の化学的挙動は、ウランやネプツニウムと同様に、+6価より大きく(6g電子の電離に相当)イオン化することはむずかしいと予想される。水溶液中では+4価が最も一般的で、固体化合物では+5価と+6価に到達すると考えられる。
物理的に可能な元素の数は明らかになっていない。低く見積もった場合、周期表は安定の島の後すぐに終わる可能性があり、それはZ = 126を中心としたものになると予想される。周期表と原子核種の拡張は、陽子および中性子のドリップラインと、アルファ崩壊や自発核分裂に対する安定性によって制限される。Y.Gambhirらの計算では、様々な崩壊経路における核結合エネルギーと安定性を分析し、結合した原子核の存在はZ = 146が限界であることを示唆している。 ワルター・グライナーのように、周期表に終わりがないかもしれないと予測した人もいる。 周期表に終わりがあると予測した人には、Z = 128(John Emsley)やZ = 155(Albert Khazan)がいる。
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物理学者の間では、リチャード・P・ファインマンが、Z = 137より大きい原子番号の中性原子は存在しないと示唆したという「民間伝説」がある。これは、相対論的なディラック方程式によって、そのような原子の最内殻電子では基底状態のエネルギーが虚数になることが予測されるためである。この137という数字は、微細構造定数の逆数である。この論法では、中性原子はウントリセプチウムまでしか存在しないことになり、電子軌道に基づいた元素周期表はこの時点で破綻する。しかし、この議論は、原子核が点状であることを前提としている。より正確に計算するためには、原子核の大きさが小さいがゼロではないことを考慮しなければならず、その結果、限界はさらにZ ≈ 173まで上がると予測されている。
ボーアの原子模型は、原子番号が137より大きい原子が成立することの難しさを示す。1s電子軌道上の電子の速度vは次式で与えられる。
ここで、Zは原子番号、αは電磁的相互作用の強さを表す微細構造定数である。この近似式では、原子番号が137より大きい元素は、1s電子が光速であるcより速く移動する必要がある。したがって、非相対論的なボーアの原子模型をこのような元素に適用することは不正確である。
相対論的なディラック方程式により、基底状態のエネルギーは次のように与えられる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
ここで、mは電子の静止質量である。Z > 137の場合、ディラック基底状態の波動関数は束縛ではなく振動的であり、クラインのパラドックスのように正負のエネルギースペクトルの間にギャップはない。 原子核の有限サイズの影響を考慮したより正確な計算では、結合エネルギーがZ > Zcrに対して初めて2mc2を超えるのは、168から172の間であることが示されている。Z > Zcrの場合、最も内側の軌道(1s)が満たされていないと、原子核の電場によって電子が真空から引き出され、陽電子が自然放出される。 この1s電子殻における負の連続体への飛び込みは、しばしば周期表の「終わり」を意味すると考えられてきたが、そのような共鳴はガモフ状態として解釈できる。しかしながら、計算と周期表をZcr≈172を超えて拡張するために必要な、多電子系におけるこのような状態の正確な記述は、まだ未解決の問題である。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
Zcr ≈ 173以上の原子番号を持つ原子は、「超臨界原子」と呼ばれている。超臨界原子は、電子と陽電子のペアが負の連続体から生成されるため、完全にイオン化することはできない。電子が束縛され、陽電子が脱出する自発的なペア生成によって1s電子殻が満たされるためである。しかし、原子核の周りの強磁場は非常に狭い空間に限られているため、負の連続体に飛び込んだ電子殻が埋まると、それ以上の自発的な対生成はパウリの排他原理によって禁じられてしまう。173番元素から184番元素は、1s電子殻のみが負の連続体に飛び込んでいるため、「弱超臨界原子」と呼ばれている。185番元素では2p1/2電子殻が、245番元素では2s電子殻が結合すると予想されている。重い原子核を衝突させて超臨界電荷を作り出し、自発的なペアの生成を検出する実験は今のところ成功していない(例えば、鉛とウランを衝突させると瞬間的に実効Zが174になり、ウランとウランでは実効Z = 184、ウランとカリホルニウムでは実効Z = 190となる)。超臨界原子は電子構造に問題がないと予想されるので、周期表の最後は電子殻の不安定性ではなく核の不安定性で決まるのかもしれない。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
Zcrを過ぎても元素が存在できなくなるわけではないが、Zcrに近づくにつれて原子核近くの 1s密度の濃度が増加するため、これらの電子はK殻電子捕獲に対してより脆弱になる可能性がある。このような重い元素の場合、これらの1s電子は、かなりの時間を原子核の近くで過ごす可能性が高く、実際には原子核の内部に存在する。これは周期表に新たな限界をもたらす可能性がある。
ミュオニック原子は電子の約207倍の重さであるため、係数mによって、はるかに大きい原子番号約2200で超臨界状態となる。
また、A > 300を超える領域には、陽子や中性子に束縛されたクォークではなく、アップクォークやダウンクォークが自由に流れる、安定したクォーク物質の仮想的な相からなる「安定の大陸」が存在するのではないかと考えられている。このような物質は、バリオンあたりの結合エネルギーが陽子や中性子よりも大きいバリオン物質の基底状態であり、この質量閾値を超えると陽子や中性子が崩壊してクォーク物質になると考えられている。もしこの状態の物質が存在するならば，通常の超重核に生成するのと同じ核融合反応で合成される可能性があり、クーロン斥力を克服するのに十分なほど強い結合の結果として、核分裂に対して安定となるだろう。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
2020年に発表された計算では、アップダウンクォークマター(udQM)ナゲットはA ~ 266を超えても従来の原子核に対して安定であることが示唆されており、また、udQMナゲットは従来の原子核(Zcr ~ 177、A ~ 480)よりも早く(Zcr ~ 163、A ~ 609)超臨界になることが示されている。
原子核の安定性は、96番元素のキュリウム以降原子番号が大きくなるにつれて急速に短くなるため、101番より大きい原子番号を持つ同位体は、半減期が1日以下で放射性崩壊をしてしまう。原子番号が82(鉛)より大きい元素には安定同位体が存在しない。しかし、まだあまりよくわかっていない理由で、原子番号110から114付近では核の安定性がわずかに増し、核物理学では「安定の島」と呼ばれるものが存在する。この概念はカリフォルニア大学バークレー校のグレン・シーボーグ教授が提唱したもので，超重元素が予測よりも長持ちする理由を説明している。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
非相対論的なSkyrme相互作用を用いたハートリー＝フォック方程式による計算では、Z = 126が陽子の閉殻として提案されている。周期表のこの領域では、中性子の閉殻としてN = 184、N = 196、N = 228が提案されている。したがって、最も関心のある同位体は310Ubh、322Ubh、354Ubhであり、これらは他の同位体よりもかなり長命である可能性がある。魔法数の陽子を持つ126番元素は、この領域の他の元素よりも安定していると予想され、半減期の非常に長い核異性体が存在する可能性がある。 また代わりに、球状の安定の島が306Ubbを中心とする可能性もあり、これは二重魔法数かもしれないと考えられている。おそらく、安定の島はZ=114から126まで、およびN=184付近で発生し、その寿命は数時間から数日程度である。N=184で閉殻になると、自発核分裂の寿命は10-15秒未満と大幅に低下すると予測される。これは原子核が電子雲を獲得して元素として振る舞うには短すぎる。ただし、こうした寿命はモデルに大きく依存しており、予測の範囲は何桁にもわたる。
拡張周期表 第8周期元素の予想される性質
核変形と相対論的効果を考慮した超重核での単粒子の解析では、Z = 126、138、154、164とN = 228、308、318の新しい魔法数が予想されている 。したがって、291Cn、293Cn、298Flを中心とした安定の島に加えて、さらに二重魔法数の354126や472164、482164の周りにも安定の島が存在する可能性がある。これらの原子核はベータ崩壊に対し安定で、比較的長い半減期でアルファ崩壊や自発核分裂によって崩壊すると予測されており、それぞれN = 228同中性子体近辺や152-168番元素にさらなる安定性を与えている。一方で同分析によると、354Ubhのようなケースでは、陽子殻の閉じ方が比較的弱いかまたは存在しない可能性がある。こうした原子核は二重魔法数ではないかもしれず、安定性は主に強い中性子殻の閉じ方によって決定されることになる。さらに、第2の島(Z = 164)では電磁的な反発の力が非常に大きく、強い力に打ち勝つと考えられるため、この領域周辺の原子核は共鳴としてしか存在せず、原子核を有意な時間で保つことができない可能性がある。また、これらの系列の間にある超アクチノイド元素のいくつかは、両方の島から離れすぎているために実際には存在しない可能性もあり、その場合、周期表はZ = 130あたりで終わるかもしれない。興味深いことに、周期性が停止している121番元素から156番元素までの領域は、2つの島の間のギャップと非常によく似ている。