テネシン

テネシン  は、元素記号Ts、原子番号117の合成元素である。周期表の第7周期に位置し、既知の元素の中で2番目に重い。原子名が決定するまでは一時的な名称としてウンウンセプチウムが使われた。

テネシンの発見は、2010年4月にロシアとアメリカの合同チームにより、ロシア連邦ドゥブナで公表され、2017年時点でも最も新しく発見された元素となった。崩壊生成物の1つが2011年に直接作成され、この実験の結果を一部裏付けた。この実験自体は、2012年に同じ共同チームにより、2014年5月にはドイツとアメリカの合同チームによっても再現された。2015年12月、国際純正・応用化学連合と国際純粋・応用物理学連合の合同作業部会により、発見の主張が評価され、新元素として認められてロシアとアメリカの共同研究チームに優先権が与えられた。

テネシンは、恐らく「安定の島」の中に位置している。合成されたテネシン原子は、数10から数100ミリ秒程度、持続する。周期表上では、第17族元素であり、17族の他の全ての元素はハロゲンであるが、テネシンの性質のいくつかは、相対論効果のためハロゲンとはかなり異なる。結果として、アニオンも形成せず高い酸化数も取らない揮発性金属になると予測される。ただし、融点や沸点、第一イオン化エネルギー等のいくつかの性質はハロゲンの傾向に従うことが予測される。

1. 名称
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2016年6月、IUPACは、発見者がこの元素をアメリカの共同研究チームが所属するオークリッジ国立研究所、ヴァンダービルト大学、テネシー大学があるアメリカ合衆国テネシー州にちなんでテネシンという名前を提案したと公表した。2016年11月、テネシンという名前は公式に承認された。

2. 発見まで
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2004年12月、モスクワ州ドゥブナのドゥブナ合同原子核研究所は、テネシー州オーク・リッジのオークリッジ国立研究所に対し、117番元素の合成実験の共同実施を提案した。この提案は、バークリウムをターゲットとしてカルシウムのビームを当てて核融合させるものであり、JINRでアクチノイドをターゲットとして行い、113-116番元素及び118番元素を発見した一連の実験を完了させるものであった。ORNLは当時唯一バークリウムを製造できる機関であったが、一時的に製造を中止しており、再開にはかなりの費用がかかるため、提供できなかった。117番元素合成の計画は、2002年初めにカリホルニウムにカルシウムを衝突させて作られた118番元素の確認作業もあったため、棚上げされた。必要なバークリウム249は、カリホルニウム252製造の副産物であり、所要量のバークリウムを得ることはカリホルニウムを得ることよりも難しく、また費用もかかった。費用は約350百万ドルにもなり、カリホルニウムの注文が別途入るまで待つことに同意した。

ビームとして用いる予定だったカルシウム48は20個の陽子と28個の中性子を持ち、中性子-陽子比率が1.4と、これほど中性子過剰な核種ではもっとも軽い安定同位体である。次に軽いものは、パラジウム110であり、かなり重い。この中性子過剰のせいで、得られる生成物は「安定の島」に近い位置にあることが予測される。目標が117個の陽子を持つ原子核であり、カルシウムの陽子が20個のため、原子核に陽子を97個持つバークリウムが必要であった。

2005年2月、JINRのチームのリーダーであるユーリイ・オガネシアンは、ORNLでの会議に出席した。この会合には、JINRでかつて113-116番及び118番元素の発見を共同で行ったローレンス・リバモア国立研究所の代表者やオガネシアンの共同研究者であるヴァンダービルト大学のジョセフ・ハミルトンも参加していた。

ハミルトンは、ORNLの高流束リアクターが商用のカリホルニウムを製造すれば、所要量のバークリウムが副産物として製造されることを確認した。彼は近い将来にこのような機会が訪れないことを理解し、たまに状況の確認を続けることにした。

3. 発見
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ORNLは、2008年春にカリホルニウムの製造を再開した。ハミルトンは夏にはこれに気づき、バークリウム抽出を契約した。彼の物理学教授50周年を記念する2008年9月にヴァンダービルトで行われたシンポジウムで、ハミルトンはオガネシアンを、当時ORNLの科学技術副部長であったジェームズ・ロバートに紹介した。JINR、ORNL、ヴァンダービルト大学の3社で共同チームが発足し、すぐにLLNLもここに招かれて加わった。

2008年11月、オークリッジのリアクターを監督するアメリカ合衆国エネルギー省は、科学利用のためのバークリウムの抽出を許可した。製造は250日間続き、2008年12月に終わった。この結果、実験に十分な分量の22mgのバークリウムが得られた。2009年1月、バークリウムは高流束同位体リアクターから外に出され、90日間冷却した後、同研究所の放射性化学工学開発センターでさらに90日間かけて、バークリウムの分離、精製が行われた。半減期はわずか330日であり、この頃には製造されたバークリウムの半分が崩壊していた。そのため、バークリウムはすぐにロシアに運ばれることが必要であり、アメリカ合衆国からの出発は、6か月以内には完了した。バークリウムは5つの鉛の容器に入れられ、ニューヨークからモスクワまで空路で運ばれた。

書類の不備のため、ロシアの税関は2度に渡り荷物の入国を拒否し、数日の間に、大西洋上を5度も往来することになった。2009年6月にロシアに到着すると、まずはウリヤノフスク州ディミトロフグラードの原子炉研究所に運ばれ、チタンフィルム上で300 nmの薄層に蒸着させられた。2009年7月にドゥブナに運び込まれ、JINRの粒子加速器にセットされた。カルシウム48ビームは、天然に存在する少量のカルシウム48を500倍に濃縮することにより作られた。この研究は、スヴェルドロフスク州レスノイの閉鎖された町で行われた。

実験は2009年7月末に始まり、2010年1月には、フリョロフ原子核反応研究所内部で、117番新元素の2つの崩壊系列が検出されたと発表された。1つは、陽子も中性子も奇数個からなる原子核が6度のアルファ崩壊を経て自発核分裂に至る経路で、もう1つは、奇数個の陽子と偶数個の中性子からなる原子核が3度のアルファ崩壊を経て自発核分裂に至る経路であった。実験から得られたデータは、LLNLに送られてさらなる分析に供された。2010年4月9日、数10から数100ミリ秒の半減期を持つ、294117293117の同位体を同定したという論文がPhysical Review Letters誌に掲載された。論文には、実験にいくらかでも関わったJINR、ORNL、LLNL、RIAR、ヴァンダービルト大学、テネシー大学とデータ分析を支援したネヴァダ大学の研究者が名前を連ねた。同位体は以下のように形成された。

97249Bk + 2048Ca → 297117* → 294117 + 3n97249Bk + 2048Ca → 297117* → 293117 + 4n

4. 確認
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当時は117番元素の全ての崩壊生成物が未知であったため、その性質で発見を確認することができなかった。2011年に崩壊生成物の1つであるモスコビウム289が直接合成されると、その性質は117番元素の崩壊によって生成するものの性質と一致していた。IUPACとIUPAPの共同作業部会が新元素発見のレビューを行っている間、2007年から2011年まで、発見者達は新しい発見を公表しなかった。

ドゥブナのチームは2012年に再度同じ実験を行い、117番元素を7原子分作り、118番元素の合成を確認した。実験の結果はかつての結果と一致しており、 元素の登録が申請された。2014年5月、ORNLとドイツのヘッセン州ダルムシュタットにある重イオン研究所の合同チームがこの元素の発見を確認したと発表した。合同チームはダルムシュタットの加速器を用いてドゥブナで行われた実験を再現し、117番元素の2原子を作った。

2015年12月、JWGは、崩壊生成物のモスコビウム289の性質を確認することで293117の発見を公式に認定し、発見者としてJINR、LLNL、ORNLの3者に新元素の命名権を与えた。

2016年5月、スウェーデンのルンド大学とGSIが115番元素と117番元素の合成に疑問を投げかけた。115番元素と117番元素の確認に用いられた289115のものとされた崩壊系列が同じ核種に由来するものとしては違いすぎ、294117のものとしてJWGに認定された崩壊系列は、117番元素の異なる同位体のデータセットに分割できるという指摘であった。また、あると言われていた293117と289115の崩壊生成物の間のリンクがないことが見いだされた一方で、認定されていなかった294117の崩壊系列としては一致することが見いだされた）