拡張周期表
拡張周期表(かくちょうしゅうきひょう、extended periodic table)とは、ドミトリ・メンデレーエフの周期表を未知の超重元素の領域まで論理的に発展させた周期表である。未知の元素についてはIUPACの元素の系統名に準じて表記される。原子番号119(ウンウンエンニウム)以降の元素は全て未発見である(発見報告無し)。
現在発見されているよりも大きい原子番号の元素が発見された場合には、既存の周期と同様に、その元素の性質が周期的に繰り返される傾向を示すようにレイアウトされた、追加の周期に置かれることになるだろう。追加される周期は、第7周期よりも多くの元素を含むことが予想される。これは、いわゆるgブロックが追加され、g軌道の一部が満たされた少なくとも18個の元素が含まれると計算されるからである。gブロックと第8周期を含む周期表は、1969年にグレン・シーボーグによって提案された。 gブロックの最初の元素は原子番号121である可能性があり、その場合ウンビウニウムという系統名を持つことになる。この領域の元素は、多くの探索にもかかわらず、合成されたり自然界で発見されたりしていない。
原子構造の量子力学的記述における軌道近似計算によれば、gブロックは部分的にg軌道が充填された元素に対応するが、スピン軌道相互作用により、原子番号の高い元素では軌道近似計算の有効性が大幅に低下する。シーボーグの拡張周期表では相対論的効果を考慮していなかったため、重い元素が軽い元素のパターンに従っていたが、相対論効果を考慮したモデルでは異なる。ペッカ・ピューッコとBurkhard Frickeはコンピュータモデルを用いてZ = 172までの元素の配置を計算し、いくつかの元素が構造原理からずれていることを発見した。 原子番号120を超える元素の化学的・物理的性質の予測には不確実性とばらつきがあるため、現在のところ拡張周期表における元素の配置についてはコンセンサスが得られていない。
この領域の元素は、放射性崩壊に対して非常に不安定であり、半減期が極めて短いアルファ崩壊や自発核分裂を起こす可能性が高いが、126番元素は自発核分裂には耐性があるがアルファ崩壊を起こす安定の島にあると考えられている。既知の元素以降にも安定の島が存在する可能性があり、その中には164番元素を中心に理論化されたものも含まれるが、閉じた核の殻による安定化効果がどの程度あるかは不明である。予測される安定の島を超えて元素が物理的にどのくらい存在可能なのか、第8周期に終わりがあるのか、第9周期があるのかは明らかではない。国際純正・応用化学連合(IUPAC)では、原子核が電子雲を形成する時間である10-14秒(0.01ピコ秒、10フェムト秒)よりも寿命が長い元素を存在の定義としている。
1940年には、相対論的なディラック方程式を単純に解釈すると、Z > 1/α ≈ 137の電子軌道が問題となることが指摘されていた。137番元素より先には中性原子が存在できず、電子軌道に基づく元素周期表はこの時点で破綻することが示唆されていた。 一方、より厳密な分析では、類似の限界をZ ≈ 173と計算し、ここで1s電子軌道がディラックの海に飛び込むとした。173番元素を超えて存在できないのは中性原子ではなく裸の原子核であり、周期系のさらなる拡張を妨げるものではないとしている。この臨界原子番号を超える原子を「超臨界原子」と呼ぶ。
アクチノイドより重い元素の存在は既に1895年には提案されており、デンマークの化学者ユリウス・トムセンが、ウランやトリウムを含む32元素の周期(第7周期)は、化学的に不活性な原子量292の元素で終わることを予測していた。これは、オガネソンで現在唯一発見されている同位体の原子量294に近い。1913年、スウェーデンの物理学者ヨハネス・リュードベリは、ラドンの次の貴ガスは原子番号118であると同様に予測し、ラドンより重い同族体は Z = 168, 218, 290, 362, 460 であることを、純粋に構造原理より導き出した。ニールス・ボーアは1922年に、ラドンの次となる貴ガスの電子構造を Z = 118 と予測し、また自然界でウランより原子番号が大きい元素が見られないのは、あまりにも不安定だからであると指摘した。ドイツの物理学者で技術者でもあるリチャード・スウィンは、1926年に超ウラン元素についての予測を含むレビュー論文を発表し、安定の島という現代の予測を先取りしていた。彼は1914年より、半減期は厳密には原子番号とともに減少しないという仮説を立て、Z = 98–102 と Z = 108–110 に長寿命の元素があるかもしれないと示唆し、こうした元素は地球の核、鉄隕石、あるいは宇宙起源の物質がグリーンランド氷床の中に閉じ込められて存在しているのではないかと推測していた。1955年には、これらの元素は超重元素と呼ばれるようになった。
未発見の超重元素の性質について最初の予測がなされたのは1957年のことで、殻模型の概念が初めて検討され、126番元素近辺に安定の島が存在することが理論的に示された。1967年にはより厳密な計算が行われ、安定の島は当時未発見のフレロビウム(114番元素)を中心にしていることが理論づけられた。この研究やその後の研究により、多くの研究者が自然界での超重元素の探索や、加速器での合成を試みるようになった。1970年代に超重元素の多くの検索が行われたが、いずれも否定的な結果だった。元素合成は、ウンビトリウム (Z = 123) を除くウンビセプチウム (Z = 127) までの元素で試みられ
、合成に成功した最も重い元素は2002年のオガネソン、最も新しい元素の発見は2010年のテネシンである。
一部の超重元素は周期表の第7周期を超えると予測されたため、これらの元素を含む追加の第8周期が、1969年にグレン・シーボーグによって最初に提案された。このモデルは既存元素のパターンを継承しつつ、gブロックおよび121番元素から始まる超アクチノイド系列を導入し、今までの周期よりも第8周期の元素数が増えている。しかしこれら初期の計算では、周期的な傾向を崩し、単純な予測が不可能になる相対論的な効果を考慮していなかった。
1971年、ドイツの化学者Frickeは Z = 172 までの周期表を計算し、いくつかの元素が既存のパターンと異なる特性を持つことを発見した。また、2010年にペッカ・ピューッコが行った計算でも、いくつかの元素が予想とは異なる振る舞いをする可能性があるとされている。重い元素ほどより不安定になると予測されているため、周期表が既知の118元素を超えてどこまで拡張されるかは未知数である。グレン・シーボーグは、実際には核の不安定性のために、早ければ Z = 120 付近で周期表の終わりが来るのではないかと示唆している。
1969年にアメリカの化学者グレン・シーボーグが提案した周期表である。第7周期までの法則に合わせて、素直にGブロックを配置した形をしている。
1973年にドイツの化学者Frickeが提案した周期表である。
2010年にペッカ・ピューッコが提唱した周期表である。相対論効果を考慮した理論計算によって電子軌道の準位を8s<5g≤8p1/2<6f<7d<9s<9p1/2<8p3/2であるとし、これに基づいて172番元素(ウンセプトビウム)までの元素を配置している。一部で原子番号と配置が前後する。
より簡易な表示によるPyykköの拡張周期表。
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。2022年現在、最初の第8周期元素であるウンウンエンニウムの合成が試みられている。
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。
einsteinium + calcium → 302* → 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。
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。
berkelium + titanium → 299* → 296 + 3 0n
berkelium + titanium → 299* → 295 + 4 0n
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。
ロシアのドゥブナにあるドゥブナ合同原子核研究所(JINR)のチームは、2019年に新しい実験複合体を用いて、249Bk+50Ti反応と249Cf+50Ti反応を用いたウンウンエンニウムとウンビニリウムの合成実験を開始することを計画した。日本の理化学研究所のチームも、248Cm+51Vの反応と248Cm+54Crの反応を用いて、248Cmを標的とし2018年からこれらの元素の試みを行うことを計画していた。前者は2018年6月から進行中である。
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。
plutonium + iron → 302* → 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。
uranium + nickel → 302* → 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。
curium + chromium → 302* → no atoms
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
。
californium + titanium → 299* → no atoms
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[44]。 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。
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。
uranium + copper → 303* → 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。
uranium + zinc → 304, 306* → 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。
uranium + zinc → 308* → 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。
erbium + xenon → 298, 300, 302, 303, 304, 306* → 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。
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。
uranium + germanium → 308, 310, 311, 312, 314* → 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。
thorium + selenium → 312* → fission
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。
americium + zinc → 309, 311* → 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。
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。
thorium + krypton → 316* → no atoms
高エネルギー(13~15MeV)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。
tantalum + xenon → 316, 317* → 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)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、ヘブライ大学のアムノン・マリノフ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。マリノフらの主張は、一部の科学者から批判された。マリノフは、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グループ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、マリノフグループ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。
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。
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。