シーボーギウム

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シーボーギウム、  106 Sg
シーボーギウム
発音/ s iː ˈ b ɔːr ɡ i ə m /ⓘ ​( see- BOR -ghee-əm )
質量数[267] （決定的なデータではない）[ a ]
周期表におけるシーボーギウム
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
W ↑ Sg ↓ —
ドブニウム←シーボーギウム→ボーリウム
原子番号（Z）106
グループグループ6
期間期間7
ブロック dブロック
電子配置[ Rn ] 5f 14 6d 4 7s 2 [ 3 ]
殻あたりの電子数2、8、18、32、32、12、2
物理的特性
STPでの 位相固体（予測）[ 4 ]
密度（ rt付近 ）23～24 g/cm 3 （予測）[ 5 ] [ 6 ]
原子の性質
酸化状態共通: (なし) 0, [ 7 ] +6 [ 8 ] (+3), (+4), (+5), (+6) [ 3 ]
イオン化エネルギー
  • 1位: 757 kJ/mol
  • 2位: 1733 kJ/mol
  • 3位: 2484 kJ/mol
  • （さらに）（最初の推定値を除くすべて）[ 3 ]
原子半径経験的：132  pm （予測）[ 3 ]
共有結合半径午後143時（推定）[ 10 ]
その他の特性
自然発生合成
結晶構造体心立方格子（bcc）
シーボーギウムの体心立方結晶構造
（予測）[ 4 ]
CAS番号54038-81-2
歴史
ネーミンググレン・T・シーボーグにちなんで
発見ローレンス・バークレー国立研究所（1974年）
シーボーギウムの同位体
主な同位体[ 2 ]減衰
アイソトープ豊富半減期（t 1/2）モード製品
265シンガポール シンセ8.5秒α261 RF
265m Sg シンセ 14.4秒α261m無線
267 SG シンセ9.8分α263メートルRF
267m Sg シンセ 100秒SF
268シンガポール シンセ 13秒[ 11 ]SF
269シンガポール シンセ 13分α 87%265 RF
 SF 13%
271 SG シンセ 31秒[ 12 ]α73%267 RF
SF27%

シーボーギウムは合成元素で、記号Sg、原子番号106です。アメリカの原子核化学者グレン・T・シーボーグにちなんで命名されました。合成元素であるため、実験室で合成することは可能ですが、自然界には存在しません。また、放射性元素でもあり、既知の最も安定な同位体の半減期は数分程度です。

元素周期表では、 dブロック超アクチノイド元素に分類されます。第7周期に属し、6d系列の遷移金属の4番目の元素として第6族元素に属します。化学実験により、シーボーギウムは第6族においてタングステンのより重い同族元素として振舞うことが確認されています。シーボーギウムの化学的性質はまだ部分的にしか解明されていませんが、他の第6族元素の化学的性質とよく一致しています。

1974年、ソ連とアメリカ合衆国の研究所で、シーボーギウムの原子がいくつか生成されました。発見の優先性、ひいては元素の命名権をめぐって、ソ連とアメリカの科学者の間で論争が起こりました。そして1997年になってようやく、国際純正応用化学連合（IUPAC）がシーボーギウムを元素の正式名称として制定しました。命名当時、存命の人物にちなんで名付けられた元素は、シーボーギウム以外には2つしかありません。もう1つは、元素番号118のオガネソンです。 [ b ]

導入

超重原子核の合成

核融合反応の図解
核融合反応の図解。2つの原子核が融合して1つの原子核となり、中性子を放出します。これまでに新しい元素を生み出した反応はどれも似たようなもので、唯一の違いは、複数の中性子が放出される場合と、全く放出されない場合の2つです。

超重原子核[ c ] は、大きさの異なる 2 つの原子核[ d ]を 1 つに結合する核反応で生成されます。おおよそ、2 つの原子核の質量が不等であればあるほど、2 つの原子核が反応する可能性が高くなります。[ 19 ]重い原子核でできた物質を標的にして、軽い原子核のビームを照射します。2 つの原子核は、十分接近した場合にのみ 1 つに融合できます。通常、原子核 (すべて正に帯電) は静電反発力により反発します。強い相互作用はこの反発力を克服できますが、原子核から非常に短い距離内に限られます。そのため、ビーム原子核は大幅に加速され、ビーム原子核の速度に比べて反発力が重要ではなくなるようにします。[ 20 ]ビーム核を加速するために加えられるエネルギーは、光速の10分の1という高速に達することができる。しかし、加えられるエネルギーが大きすぎると、ビーム核は崩壊してしまう可能性がある。[ 20 ]

2 つの原子核が融合するには、十分近づくだけでは不十分です。2 つの原子核が互いに近づくと、通常 10 −20 秒ほど一緒に留まり、その後単一の原子核を形成するのではなく、離れていきます (反応前と同じ構成とは限らない)。[ 20 ] [ 21 ]これは、単一の原子核の形成を試みている間に、静電反発力によって形成されつつある原子核が引き裂かれるために起こります。[ 20 ]ターゲットとビームの各ペアは、その断面積によって特徴付けられます。断面積とは、2 つの原子核が互いに接近した場合に融合が起こる確率であり、融合が起こるために入射粒子が衝突しなければならない横断面積で表されます。[ e ]この融合は、原子核が静電反発力をトンネルで通過できる量子効果の結果として起こる可能性があります。2 つの原子核がその段階を過ぎても近いままでいられる場合は、多重の原子核相互作用によってエネルギーが再分配され、エネルギー平衡が実現します。[ 20 ]

外部ビデオ
ビデオアイコンオーストラリア国立大学の計算に基づく、失敗した核融合の可視化[ 23 ]

結果として生じる合体は励起状態[ 24 ]となり、複合核と呼ばれるため非常に不安定である。[ 20 ]より安定した状態に到達するために、一時的な合体はより安定した核の形成なしに核分裂することがある。 [ 25 ]あるいは、複合核は少数の中性子を放出する可能性があり、これにより励起エネルギーが持ち去られる。後者が中性子の放出に十分でない場合、合体はガンマ線を生成する。これは 最初の核衝突から約 10 −16秒後に起こり、より安定した核の生成をもたらす。 [ 25 ] IUPAC/IUPAP 合同作業部会(JWP)による定義では、化学元素は、その核が10 −14秒以内に崩壊していない場合にのみ発見とみなされるとされている。この値は、核が電子を獲得して化学的性質を示すまでにかかる時間の推定値として選ばれた。[ 26 ] [女性]

崩壊と検出

ビームはターゲットを通過して次のチャンバーであるセパレーターに到達します。新しい原子核が生成された場合は、このビームとともに運ばれます。[ 28 ]セパレーターでは、新しく生成された原子核が他の核種（元のビームの核種とその他の反応生成物）から分離され[ g ] 、原子核を停止させる表面バリア検出器に転送されます。検出器への衝突の正確な位置が記録され、そのエネルギーと到着時間も記録されます。[ 28 ]転送には約10-6秒かかります。 検出されるためには、原子核はこの時間生き残らなければなりません。[ 31 ]原子核の崩壊が記録されると、再び記録され、崩壊の位置、エネルギー、および時間が測定されます。[ 28 ]

原子核の安定性は強い相互作用によってもたらされる。しかし、その範囲は非常に短く、原子核が大きくなるにつれて、最外殻核子（陽子と中性子）への影響は弱まる。同時に、原子核は陽子間の静電反発によって引き裂かれ、その範囲は制限されない。[ 32 ]強い相互作用によって提供される全結合エネルギーは核子数とともに直線的に増加するのに対し、静電反発は原子番号の2乗とともに増加する。つまり、静電反発はより速く増加し、重い原子核と超重い原子核にとってますます重要になる。[ 33 ] [ 34 ]そのため、超重原子核は理論的に予測されており[ 35 ]、これまでに観測されている[ 36 ]。主にそのような反発によって引き起こされる崩壊モード、すなわちアルファ崩壊と自発核分裂によって崩壊する。[ h ]ほとんどすべてのアルファ放出核種は210個以上の核子を持ち、[ 38 ]主に自発核分裂を起こす最も軽い核種は238個の核子を持っています。[ 39 ]両方の崩壊モードでは、核子は各モードに対応するエネルギー障壁によって崩壊が抑制されますが、トンネルを通り抜けることができます。[ 33 ] [ 34 ]

超重元素生成装置
インド原子力研究所（JINR）のフレロフ原子核反応研究所に設置されたドゥブナガス充填反動分離装置に基づく超重元素生成装置の概略図。検出器とビーム集束装置内の軌道は、前者の双極子磁石と後者の四極子磁石によって変化する。 [ 40 ]

アルファ粒子は、核子あたりの質量が小さいため、アルファ粒子が原子核から離れるための運動エネルギーとして使用できるだけのエネルギーがいくらか残るため、放射性崩壊でよく生成される。[ 41 ]自発核分裂は、静電反発力によって原子核が引き裂かれることで発生し、同一の原子核が分裂するさまざまな事例でさまざまな原子核を生成する。[ 34 ]原子番号が増加するにつれて、自発核分裂の重要性が急速に高まる。自発核分裂部分半減期は、ウラン（元素番号92）からノーベリウム（元素番号102）にかけて23桁減少し、[ 42 ]トリウム（元素番号90）からフェルミウム（元素番号100）にかけて30桁減少する。[ 43 ]初期の液滴モデルでは、核子数が約 280 の原子核では核分裂障壁が消失するため、自発核分裂がほぼ瞬時に起こると示唆されていました。 [ 34 ] [ 44 ]後の原子核殻モデルでは、核子数が約 300 の原子核は安定の島を形成し、その中では自発核分裂に対する抵抗力がより強くなり、主に半減期の長いアルファ崩壊を起こすと示唆されていました。[ 34 ] [ 44 ]その後の発見により、予測された島は当初の予想よりも遠い可能性があることが示唆されました。また、長寿命アクチニドと予測された島の中間の原子核は変形し、殻効果から追加の安定性を獲得することも示されました。[ 45 ]より軽い超重核[ 46 ]や、予想される島核[ 42 ]に近い核の実験では、自発核分裂に対する安定性がこれまで予想されていたよりも高いことが示されており、核に対する殻効果の重要性が示されています。[ i ]

アルファ崩壊は放出されたアルファ粒子によって記録され、崩壊生成物は実際の崩壊の前に簡単に特定できます。つまり、そのような崩壊または一連の連続した崩壊で既知の原子核が生成される場合、反応の元の生成物も簡単に特定できます。[ j ]（崩壊系列内のすべての崩壊が実際に互いに関連していることは、これらの崩壊の位置によって確立され、それらの崩壊は同じ場所でなければなりません。）[ 28 ]既知の原子核は、崩壊エネルギー（より具体的には、放出された粒子の運動エネルギー）など、その崩壊の特定の特性によって認識できます。 [ k ]しかし、自発核分裂ではさまざまな原子核が生成物として生成されるため、元の核種をその娘核種から特定することはできません。[ l ]

超重元素の合成を目指す物理学者が利用できる情報は、検出器で収集される情報、すなわち、粒子の位置、エネルギー、検出器への到達時間、そして崩壊時間である。物理学者はこれらのデータを分析し、それが確かに新元素によって生成されたものであり、主張されている核種とは異なる核種によって生成されたはずがないという結論を導き出そうとする。多くの場合、提供されたデータは、新元素が確実に生成されたという結論を導き出すには不十分であり、観測された効果について他に説明できない、つまりデータの解釈に誤りがあった場合が多い。[ m ]

歴史

1970年にローレンス・リバモア国立研究所のアルバート・ギオルソらが元素番号104と105を観測したと主張したことを受けて、酸素18の入射粒子と以前に使用されたカリホルニウム249の標的を用いた元素番号106の探索が行われた。[ 57 ] 9.1 MeVのアルファ崩壊がいくつか報告され、現在では元素番号106に由来すると考えられているが、これは当時確認されていなかった。1972年、HILAC加速器の機器がアップグレードされたため、チームは実験を繰り返すことができず、運転停止中にデータ解析は行われなかった。[ 57 ]この反応は数年後の1974年に再び試みられ、バークレーチームは新しいデータが1971年のデータと一致することに気づき、ギオルソを驚かせた。したがって、元のデータがより注意深く解析されていれば、元素番号106は実際には1971年に発見されていた可能性がある。[ 57 ]

2つのグループがこの元素の発見を主張した。元素番号106の証拠は、1974年にユーリ・オガネシアン率いるロシアのドゥブナ研究チームによって初めて報告された。この研究では、鉛208と鉛207の標的に加速されたクロム54イオンを照射した。合計で51回の自発核分裂イベントが観測され、半減期は4～10ミリ秒であった。これらの活動の原因として核子移行反応を排除した後、チームは活動の最も可能性の高い原因は元素番号106の同位体の自発核分裂であると結論付けた。問題の同位体は当初シーボーギウム259ではないかと示唆されたが、後にシーボーギウム260に訂正された。[ 58 ]

208 82鉛+54 24Cr →260 106Sg + 2 n
207 82鉛+54 24Cr →260 106Sg + n

1974年の数か月後、カリフォルニア大学バークレー校のグレン・T・シーボーグ、キャロル・アロンソ、アルバート・ギオルソ、ローレンス・リバモア国立研究所のE・ケネス・ヒューレットなどの研究者らは、5年前に元素104の合成に使用されたものと類似した装置を使用して、カリホルニウム249の標的に酸素18イオンを照射することで、少なくとも70回のアルファ崩壊を観測し、半減期が1.5の同位体シーボーギウム263mによるものと思われる崩壊が起こったと報告した[59]。0.9 ± 0.2秒。アルファ崩壊子であるラザホージウム259と孫娘核であるノーベリウム255は既に合成されており、今回観測された特性は既知のものと一致し、その生成強度も同様であった。観測された反応 断面積0.3ナノバーンも理論予測とよく一致した。これらの結果は、アルファ崩壊事象がシーボーギウム263mに起因するという説を裏付けるものであった。[ 58 ]

249 98Cf +18 8お→263メートル106Sg + 41 0ん→259 104Rf + α →255 102いいえ+ α

このように、当初の発見主張が対立したことから論争が生じたが、105番元素までの合成元素の場合とは異なり、どちらの発見者チームも新元素の命名案を発表しなかったため、元素命名論争は一時的に回避された。しかし、発見に関する論争は1992年まで続いた。101番元素から112番元素の発見主張に関する結論を導き出し、論争に終止符を打つために結成されたIUPAC/IUPAPトランスファーミウム作業部会（TWG）は、ソ連によるシーボーギウム260の合成は「収量曲線と角度選択の結果が不足している」ため説得力が不十分である一方、アメリカによるシーボーギウム263の合成は既知の娘核にしっかりと固定されているため説得力があると結論付けた。そのため、TWGは1993年の報告書でバークレーチームを公式発見者として認めた。[ 58 ]

元素番号106は、合成元素発見の先駆者であるグレン・T・シーボーグにちなんで、シーボーギウム（Sg）と命名されました。
周期表で自分の名前が付けられた元素を指差すシーボーグ

シーボーグは以前、TWGに対して、もしバークレーが元素番号104と105の公式発見者として認められれば、元素番号106にクルチャトビウム（記号Kt）という名称を提案してはどうかと提案していた。ドゥブナチームは、ソ連の核研究計画の元責任者であるイゴール・クルチャトフにちなんで、元素番号104にこの名称を提案していた。しかし、TWG報告書の公表後、競合するチーム間の関係が悪化したため（バークレーチームはTWGの結論、特に元素番号104に関して激しく反対したため）、この提案はバークレーチームによる検討対象から外された。[ 60 ]公式発見者として認められた後、バークレーチームは真剣に名称の検討を始めた。

…私たちは発見の功績と、それに伴う新元素の命名権を与えられていました。ギオルソ・グループの8人のメンバーは、アイザック・ニュートン、トーマス・エジソン、レオナルド・ダ・ヴィンチ、フェルディナンド・マゼラン、神話のユリシーズ、ジョージ・ワシントン、そしてチームメンバーの出身地であるフィンランドに敬意を表して、幅広い名前を提案しました。長い間、候補は絞られず、有力候補もいませんでした。ある日、アル（ギオルソ）が私のオフィスに来て、106番元素に「シーボーギウム」という名前をつけることについてどう思うかと尋ねました。私は驚きました。[ 61 ]

— グレン・シーボーグ

シーボーグの息子エリックは、命名プロセスを次のように回想している。[ 62 ]

発見に関わった8人の科学者があまりにも多くの有望な可能性を示唆していたため、ギオルソは合意形成を諦めかけていました。しかし、ある夜、あるアイデアが浮かびました。彼はチームメンバーに一人ずつ歩み寄り、7人が同意するまで続けました。そして、50年来の友人であり同僚であるギオルソにこう言いました。「106番元素をシーボーギウムと命名することに賛成する人が7人います。同意していただけますか？」父は驚きましたが、母に相談した後、同意しました。[ 62 ]

— エリック・シーボーグ

シーボーギウムという名称と記号Sgは、1994年3月に開催されたアメリカ化学会第207回全国大会で、共同発見者の一人であるケネス・ヒューレットによって発表された。[ 61 ]しかし、IUPACは1994年8月に、元素に存命人物の名前を付けることはできないと決議し、シーボーグも当時存命であった。そこで、1994年9月、IUPACは、元素番号104から109までについて発見を競合する3つの研究所（3つ目はドイツ・ダルムシュタットのGSIヘルムホルツ重イオン研究センター）が提案した名称を他の様々な元素に変更した一連の名称を勧告した。この中で、バークレーが元素番号104として提案したラザホージウム（Rf）は元素番号106に変更され、シーボーギウムという名称は完全に削除された。[ 60 ]

要素101～112（TWG報告書で取り上げられている要素）の命名提案と最終決定の概要[ 60 ]
原子番号系統的アメリカ人ロシアドイツ語妥協92IUPAC 94ACS 94IUPAC 95IUPAC 97現在
101ウンニルニウムメンデレビウム——メンデレビウムメンデレビウムメンデレビウムメンデレビウムメンデレビウムメンデレビウム
102ウンニルビウムノーベリウムジョリオチウム—ジョリオチウムノーベリウムノーベリウムフレロビウムノーベリウムノーベリウム
103ニトロニウムローレンシウムラザホーディウム—ローレンシウムローレンシウムローレンシウムローレンシウムローレンシウムローレンシウム
104ウニルクアディウムラザホーディウムクルチャトビウム—マイトネリウムドブニウムラザホーディウムドブニウムラザホーディウムラザホーディウム
105ウンニルペンチウムハニウムニールスボーリウム—クルチャトビウムジョリオチウムハニウムジョリオチウムドブニウムドブニウム
106アンニルヘキシウムシーボーギウム——ラザホーディウムラザホーディウムシーボーギウムシーボーギウムシーボーギウムシーボーギウム
107ウンニルセプティウム——ニールスボーリウムニールスボーリウムボーリウムニールスボーリウムニールスボーリウムボーリウムボーリウム
108ウンニロクチウム——ハッシウムハッシウムハニウムハッシウムハニウムハッシウムハッシウム
109ウニレニウム——マイトネリウムハニウムマイトネリウムマイトネリウムマイトネリウムマイトネリウムマイトネリウム
110ウンウンニリウムハニウムベクレリウムダルムシュタット—————ダルムシュタット
111ウヌヌニウム——レントゲン—————レントゲン
112ウンウンビウム——コペルニシウム—————コペルニシウム

この決定は、歴史的発見者の新元素命名権の無視、そして現存人物にちなんで元素に命名することを禁じる遡及的な新規則に対する世界的な抗議の嵐を引き起こした。アメリカ化学会は、元素番号106のシーボーギウムという名称を、アメリカとドイツによる元素番号104から109までの命名案と共に断固として支持し、IUPACに反抗してこれらの名称を学会誌に掲載した。[ 60 ]当初、IUPACは自らを弁護し、委員のアメリカ人メンバーは次のように記した。「発見者に元素に命名する権利はない。彼らには名前を提案する権利がある。そしてもちろん、我々はその権利を全く侵害していない」。しかし、シーボーグは次のように反論した。

これは、元素の発見者として認められ、異論のない発見者がその元素に名前を付ける特権を拒否される、歴史上初めてのケースとなるでしょう。[ 61 ]

— グレン・シーボーグ

世論の圧力に屈したIUPACは1995年8月に別の妥協案を提示し、 106番元素にシーボーギウムの名称を復活させる代わりに、さらにひどい反応に見舞われた他のアメリカの提案を1つを除いて全て削除した。最終的にIUPACはこれらの以前の妥協案を撤回し、1997年8月に最終的な新たな勧告を行った。この勧告では、106番元素のシーボーギウムを含むアメリカとドイツの提案全てが採用されたが、 105番元素だけは例外で、超アクチニド合成の実験手順へのドゥブナチームの貢献を認めてドゥブニウムと名付けられた。このリストは最終的にアメリカ化学会に受け入れられ、同会は次のように述べている。[ 60 ]

国際調和の観点から、委員会は、文献で長年使用されてきた「ハニウム」（アメリカの提案）に代えて、元素番号105の名称を渋々承認しました。現在、元素番号106の名称として「シーボーギウム」が国際的に承認されていることを嬉しく思います。[ 60 ]

— アメリカ化学会

シーボーグ氏は命名に関して次のようにコメントした。

言うまでもなく、アメリカの化学者たちがタングステン（74）の下に位置する元素番号106を「シーボーギウム」と呼ぶことを推奨したことを誇りに思います。化学研究者たちが、これらの化合物をシーボーガス塩化物、シーボーガス硝酸塩、そしておそらくシーボーゲートナトリウムと呼ぶ日を心待ちにしていました。これは私にとってこれまでで最も名誉なことであり、ノーベル賞受賞よりも素晴らしいことだと思います。[ n ]将来、化学を学ぶ学生は、周期表について学ぶ際に、なぜこの元素に私の名前が付けられたのかを問い、私の研究についてより深く理解するようになるかもしれません。[ 61 ]

— グレン・シーボーグ

シーボーグは1年半後の1999年2月25日に86歳で亡くなった。[ 61 ]

同位体

シーボーギウム同位体一覧
アイソトープ 半減期[ o ]減衰モード 発見の年 発見反応
価値 参照
257 SG 12.6ミリ秒[ 64 ]α、SF 2025 206 Pb( 52 Cr,n)
258シンガポール 2.7ミリ秒[ 2 ]SF 1994 209 Bi( 51 V,2n)
259シンガポール 402ミリ秒[ 2 ]α 1985 207 Pb( 54 Cr,2n)
259m Sg 226ミリ秒[ 2 ]α、SF 2015 206 Pb( 54 Cr,n) [ 65 ]
260 SG 4.95ミリ秒[ 2 ]SF、α 1985 208 Pb( 54 Cr,2n)
261 SG 183ミリ秒[ 2 ]α、β +、SF 1985 208 Pb( 54 Cr,n)
261m Sg 9.3マイクロ秒[ 2 ]それ 2009 208 Pb( 54 Cr,n)
262 SG 10.3ミリ秒[ 2 ]SF、α 2001 270 Ds(—,2α)
263 SG 940ミリ秒[ 2 ]α、SF 1994 271 Ds(—,2α)
263m Sg 420ミリ秒[ 2 ]α 1974 249 Cf( 18 O,4n)
264 SG 78ミリ秒[ 2 ]SF 2006 238 U( 30 Si, 4n)
265シンガポール 9.2秒[ 2 ]α 1993 248 Cm（22 Ne,5n）
265m Sg 16.4秒[ 2 ]α 1993 248 Cm（22 Ne,5n）
266 SG 390ミリ秒[ 2 ]SF 2004 270 Hs(—,α)
267 SG 9.8分[ 66 ]α 2004 271 Hs(—,α)
267m Sg 1.7分[ 1 ]SF 2024 271 Hs(—,α)
268シンガポール 13秒[ 11 ]SF 2022 276 Ds(—,2α)
269シンガポール 5分[ 2 ] [ 67 ]α、SF 2010 285 Fl(—,4α)
271 SG 31秒[ 12 ]α、SF 2003 287 Fl(—,4α)

シーボーギウムのような超重元素は、粒子加速器で軽い元素を照射し、核融合反応を誘発することによって生成されます。シーボーギウムの同位体のほとんどはこの方法で直接合成できますが、一部の重い同位体は、より大きな原子番号の元素の崩壊生成物としてのみ観測されています。[ 68 ]

超重元素を生成する核融合反応は、関与するエネルギーに応じて「ホット」と「コールド」に分けられます。ホット核融合反応では、非常に軽く高エネルギーの入射物体が非常に重い標的（アクチニド）に向かって加速され、高い励起エネルギー（約40～50 MeV ）を持つ複合核が生成されます。 これらの核融合核は核分裂するか、複数（3～5個）の中性子を蒸発させる可能性があります。[ 68 ]コールド核融合反応では、生成された核融合核の励起エネルギーは比較的低く（約10～20 MeV）、これらの生成物が核分裂反応を起こす確率は低くなります。核融合核が基底状態まで冷却されると、1～2個の中性子を放出するだけで済むため、より中性子過剰な生成物の生成が可能になります。[ 69 ]後者は、室温条件で核融合が達成されると主張されているものとは異なる概念である（常温核融合を参照）。[ 70 ]

シーボーギウムには安定同位体も天然同位体も存在しない。いくつかの放射性同位体は、2つの原子を融合させるか、より重い元素の崩壊を観察することによって、実験室で合成されている。質量数257～269および271のシーボーギウム同位体は14種類報告されており、そのうちシーボーギウム-261、-263、-265、-267の4種類は準安定状態にあることが知られている。これらはすべてアルファ崩壊と自発核分裂によってのみ崩壊するが、シーボーギウム-261だけは電子捕獲によってドブニウム-261に崩壊する可能性がある。[ 71 ]

重い同位体ほど半減期が長くなる傾向がありますが、奇数中性子は自発核分裂の妨げが大きくなるため、偶奇同位体は一般に隣接する偶偶同位体よりも安定しています。 [ 72 ]既知のシーボーギウム同位体のうち、偶奇核ではアルファ崩壊が支配的な崩壊モードであるのに対し、偶偶核では核分裂が支配的です。最も重い既知の同位体のうち267 Sg、269 Sg、271 Sg の 3 つは最も長寿命でもあり、半減期は数分程度です。[ 71 ]この領域の他の同位体には、同等かさらに長い半減期があると予測されているものがあります。さらに、263 Sg、265 Sg、265m Sg、268 Sg [ 11 ]の半減期は秒単位です。残りの同位体はすべてミリ秒単位ですが、最も短い半減期を持つ261m Sgはわずか9.3マイクロ秒です。[ 2 ]

257 Sgから261 Sg までの陽子過剰同位体は、常温核融合によって直接生成されました。これより重い同位体は、より重い元素であるハッシウム、ダルムスタチウム、フレロビウムの繰り返しアルファ崩壊によって生成されました。ただし、263m Sg、264 Sg、265 Sg、265m Sg の同位体は、アクチニドターゲットの照射による常温核融合によって直接生成されました。

予測される特性

シーボーギウムまたはその化合物の特性はほとんど測定されていません。これは、その生産量が極めて限られており、費用もかかるため[ 73 ]、またシーボーギウム（およびその親元素）が非常に速く崩壊するという事実によるものです。いくつかの特異な化学特性は測定されていますが、シーボーギウム金属の特性は未だ不明であり、予測値しか得られていません。

物理的な

シーボーギウムは通常の条件下では固体であり、より軽い同族元素であるタングステンと同様に体心立方結晶構造をとると予想されている。 [ 4 ]初期の予測では、密度が約35.0 g/cm 3の非常に重い金属であると推定されていたが、[ 3 ] 2011年と2013年の計算では、密度が23～24 g/cm 3とやや低い値が予測された。[ 5 ] [ 6 ]

化学薬品

シーボーギウムは6d系列の遷移金属の4番目の元素であり、周期表ではクロム、モリブデン、タングステンに次いで6族で最も重い元素である。このグループの元素はすべて多様なオキソアニオンを形成する。これらの元素は容易に+6のグループ酸化状態をとるが、クロムの場合はこの状態は酸化力が強く、グループの下位になるほど還元に対してより安定する。実際、タングステンは5d遷移金属の中で最後の元素であり、4つの5d電子すべてが金属結合に関与している。[ 74 ]そのため、シーボーギウムは気相および水溶液中の両方で+6が最も安定した酸化状態であるはずであり、これは実験的に知られている唯一の正の酸化状態である。+5と+4の状態はより不安定であり、クロムで最も一般的な+3の状態はシーボーギウムでは最も不安定である。[ 3 ]

この最高酸化状態の安定化は、6d元素の初期周期において起こる。これは、6d軌道と7s軌道のエネルギーが類似しているためである。7s軌道は相対論的に安定化され、6d軌道は相対論的に不安定化される。この効果は第7周期において非常に大きいため、シーボーギウムは7s電子よりも先に6d電子を失うと予想される（Sg, [Rn]5f 14 6d 4 7s 2 ; Sg + , [Rn]5f 14 6d 3 7s 2 ; Sg 2+ , [ Rn ] 5f 14 6d 3 7s 1 ; Sg 4+ , [Rn]5f 14 6d 2 ; Sg 6+ , [Rn]5f 14）。 7s軌道の大きな不安定化のため、Sg IVはW IVよりもさらに不安定で、容易にSg VIに酸化されるはずである。六配位Sg 6+イオンのイオン半径は65 pmと予測されるが、シーボーギウムの原子半径は128 pmと予測される。しかしながら、最高酸化状態の安定性は、Lr III > Rf IV > Db V > Sg VIの順に低下すると予想される。酸性水溶液中のシーボーギウムイオンの標準還元電位の予測値は以下の通りである。[ 3 ]

2 SgO 3 + 2 H + + 2 e −⇌ Sg 2 O 5 + H 2 OE 0 = −0.046 V
Sg 2 O 5 + 2 H + + 2 e −⇌ 2 SgO 2 + H 2 OE0 = + 0.11V
SgO 2 + 4 H + + e −⇌ Sg 3+ + 2 H 2 OE0 = −1.34V
Sg 3+ + e −⇌ Sg 2+E0 = −0.11V
Sg 3+ + 3 e −⇌ シンガポールE0 = + 0.27V

シーボーギウムは、非常に揮発性の高い六フッ化物（SgF 6）のほか、中程度の揮発性の六塩化物（SgCl 6）、五塩化物（SgCl 5）、およびオキシ塩化物SgO 2 Cl 2およびSgOCl 4を形成すると予想される。[ 75 ] SgO 2 Cl 2 は、シーボーギウムオキシ塩化物の中で最も安定しており、6族オキシ塩化物の中で最も揮発性が低いと予想され、MoO 2 Cl 2 > WO 2 Cl 2 > SgO 2 Cl 2の順となっている。[ 3 ]揮発性のシーボーギウム（VI）化合物SgCl 6およびSgOCl 4は、MoCl 6およびMoOCl 4と同様に、高温でシーボーギウム（V）化合物に分解するほど不安定であると予想される。 SgO 2 Cl 2では、モリブデンやタングステンと同様にSg–Cl結合の強さは似ているものの、最高占有分子軌道と最低空分子軌道の間のエネルギーギャップがはるかに大きいため、このようなことは起こらないはずである。[ 76 ]

モリブデンとタングステンは非常によく似ており、より小さなクロムとは重要な違いがあります。シーボーギウムはタングステンやモリブデンの化学的性質に非常に近いと予想され、より多様なオキソアニオンを形成します。その中で最も単純なのはシーボーゲート、SgOです。2−4​これはSg(H2O)6+ 6ただし、シーボーギウムはサイズが大きいことから、モリブデンやタングステンよりも加水分解されにくいと考えられます。シーボーギウムはフッ化水素酸中で低濃度ではタングステンよりも加水分解されにくいですが、高濃度ではより容易に加水分解され、SgO 3 F -やSgOFなどの錯体も形成します。− 5: フッ化水素酸中では、錯体形成が加水分解と競合する。[ 3 ]

実験化学

シーボーギウムの実験化学研究は、一度に1原子ずつ生成する必要があること、半減期が短いこと、そしてその結果として実験条件が厳しくなることから妨げられてきた。[ 77 ]同位体265 Sgとその異性体265m Sgは放射化学に有利である。これらは248 Cm( 22 Ne,5n)反応で生成される。[ 78 ]

1995年と1996年に行われたシーボーギウムの最初の実験化学研究では、248 Cm( 22 Ne,4n) 266 Sgの反応でシーボーギウム原子が生成され、熱分解後、O 2 /HCl混合液と反応させた。得られたオキシ塩化物の吸着特性を測定し、モリブデンおよびタングステン化合物の特性と比較した。その結果、シーボーギウムは他の第6族元素と同様に揮発性のオキシ塩化物を形成することが示され、第6族元素の順でオキシ塩化物の揮発性が低下する傾向が確認された。

Sg + O2+ 2 HCl → SgO2塩素2+ H2

2001年、ある研究チームはシーボーギウムの気相化学に関する研究を継続し、 H 2 O環境下でシーボーギウムをO 2と反応させた。実験の結果、オキシクロリドの形成と同様に、シーボーギウム酸化物水酸化物が生成されることが示された。これは、より軽い第6族元素同族体や擬似同族体であるウランにおいてよく知られている反応である。[ 79 ]

2 Sg + 3 O2→ 2 SgO3
SgO3+ H2O → SgO2（おお）2

シーボーギウムの水溶液中での化学反応に関する予測は、ほぼ裏付けられている。1997年と1998年に行われた実験では、シーボーギウムはHNO 3 /HF溶液を用いて陽イオン交換樹脂から溶出され、 SgOではなく中性のSgO 2 F 2または陰イオン錯イオン[SgO 2 F 3 ] −として溶出されたと考えられる。2−4​対照的に、0.1 M硝酸中では、モリブデンやタングステンとは異なり、シーボーギウムは溶出せず、[Sg(H 2 O) 6 ] 6+の加水分解は陽イオン錯体[Sg(OH) 4 (H 2 O)] 2+または[SgO(OH) 3 (H 2 O) 2 ] +までしか進行しないのに対し、モリブデンやタングステンの加水分解は中性の[MO 2 (OH) 2 ]まで進行することを示している。[ 3 ]

シーボーギウムのグループ酸化数+6以外に知られている唯一の酸化状態は、ゼロ酸化状態である。クロムヘキサカルボニル、モリブデンヘキサカルボニル、タングステンヘキサカルボニルを形成する3つのより軽い同族元素と同様に、シーボーギウムはシーボーギウムヘキサカルボニル（Sg(CO) 6 ）も形成することが2014年に示された。モリブデンやタングステン同族元素と同様に、シーボーギウムヘキサカルボニルは揮発性化合物であり、二酸化ケイ素と容易に反応する。[ 77 ]

自然の中の不在

自然界におけるシーボーギウムの長寿命原始核種の探索は、いずれも否定的な結果をもたらしている。2022年のある研究では、天然タングステン（その化学的同族体）中のシーボーギウム原子の濃度は5.1 × 10 −15原子(Sg)/原子(W) [ 80 ]

注記

  1. ^シーボーギウムの最も安定な同位体は、測定数が少ないことに起因する不確実性のため、既存のデータに基づいて決定することはできません。既存のデータに基づくと、 1標準偏差に相当する267 Sgの半減期は9.8+11.3 −4.5分である[ 1 ]のに対し、269 Sgの場合は5 ± 2分[ 2 ]これらの測定値は重複する信頼区間を有する。
  2. ^ 99番元素と100番元素のアインシュタイニウムとフェルミウムという名前は、それぞれアルベルト・アインシュタインとエンリコ・フェルミが存命中に提案されたが、アインシュタインとフェルミが亡くなるまで正式には採用されなかった。 [ 13 ]
  3. ^原子核物理学では原子番号が大きい元素は重い元素と呼ばれます。鉛（元素番号82）はそのような重い元素の一例です。「超重元素」という用語は、通常、原子番号が103より大きい元素を指します（ただし、原子番号が100より大きい[ 14 ]や112より大きい[15]など、他の定義もあります。また、この用語は、仮想的な超アクチノイド系列の先頭に上限値を置く「超アクチノイド」という用語と同義語として提示されることもあります）。 [ 16 ]「重同位体」（特定の元素）および「重原子核」という用語は、共通言語で理解できるもの、つまりそれぞれ（特定の元素の）高質量同位体および高質量原子核を意味します。
  4. ^ 2009年、オガネシアン率いるJINRのチームは、対称的な136 Xe +  136 Xe反応でハッシウムを生成しようとした結果を発表しました。彼らはこの反応で1つの原子も観測できず、核反応の確率の尺度である断面積の上限は2.5  pbとしました。 [ 17 ]一方、ハッシウムの発見につながった208 Pb + 58 Feの反応の断面積は約20 pb（より正確には19 pb）でした。+19 -11 発見者らの推定によれば、1800万年前のものと推定される。[ 18 ]
  5. ^ビーム粒子を加速するために加えられるエネルギーの量も、断面積の値に影響を与える可能性がある。例えば、28 14Si +1 0ん→28 13アル+1 1p反応では、断面積は12.3 MeVでの370 mbから18.3 MeVでの160 mbまで滑らかに変化し、13.5 MeVで広いピークを示し、最大値は380 mbである。[ 22 ]
  6. ^この数字は複合核の寿命の一般的に受け入れられている上限値でもある。 [ 27 ]
  7. ^この分離は、生成された核が未反応のビーム核よりもゆっくりと標的を通過することに基づいています。分離器には電場と磁場が含まれており、移動する粒子への影響は粒子の特定の速度に対して打ち消されます。 [ 29 ]このような分離は、飛行時間測定と反跳エネルギー測定によっても補助され、これら2つを組み合わせることで核の質量を推定できる可能性があります。 [ 30 ]
  8. ^すべての崩壊モードが静電反発によって引き起こされるわけではない。例えば、ベータ崩壊は弱い相互作用によって引き起こされる。 [ 37 ]
  9. ^ 1960年代には、原子核の基底状態はエネルギーと形状が異なり、核子の特定の魔法数が原子核のより高い安定性に対応することは既に知られていました。しかし、超重原子核は変形が大きすぎて原子核構造を形成できないため、原子核構造は存在しないと考えられていました。 [ 42 ]
  10. ^原子核の質量は直接測定されるのではなく、別の原子核の質量から計算されるため、このような測定は間接的と呼ばれます。直接測定も可能ですが、超重原子核ではほとんど利用できません。 [ 47 ]超重原子核の質量の最初の直接測定は、2018年にLBNLで報告されました。 [ 48 ]質量は、原子核の移動後の位置から決定されました（移動は磁石の存在下で行われたため、位置は原子核の軌道を決定するのに役立ちます。軌道は原子核の質量電荷比に関連しています）。 [ 49 ]
  11. ^崩壊が真空中で起こった場合、崩壊前後の孤立系の全運動量は保存されなければならないため、娘核も小さな速度を受ける。したがって、2つの速度の比、ひいては運動エネルギーの比は、2つの質量の比に反比例する。崩壊エネルギーは、アルファ粒子の既知の運動エネルギーと娘核の運動エネルギーの合計（前者の正確な割合）に等しい。 [ 38 ]これらの計算は実験にも当てはまるが、違いは崩壊後も核が検出器に結び付けられているため動かないという点である。
  12. ^自発核分裂は、ソ連の物理学者ゲオルギー・フレロフ[ 50 ]によって発見されました。彼はJINRの指導的科学者であり、そのため同施設の「趣味」でした。 [ 51 ]一方、LBLの科学者たちは、核分裂の情報だけでは元素の合成を主張するには不十分だと考えていました。彼らは、複合原子核が陽子やアルファ粒子のような荷電粒子ではなく中性子のみを放出したと立証することが困難であったため、自発核分裂は新元素の特定に使用できるほど十分に研究されていないと考えていました。 [ 27 ]そのため、彼らは、連続的なアルファ崩壊によって新しい同位体を既知の同位体に結び付けることを好みました。 [ 50 ]
  13. ^例えば、1957年にスウェーデンのストックホルム県ストックホルムにあるノーベル物理学研究所で、。 [ 52 ]それまでこの元素が作られたという決定的な主張はなく、スウェーデン、アメリカ、イギリスの発見者によってノーベリウムと命名されました。後にこの特定は誤りであることが判明しました。 [ 53 ]翌年、RLはスウェーデンの結果を再現することができず、代わりにこの元素を合成したと発表しましたが、この主張も後に反証されました。 [ 53 ] JINRは自分たちが最初にこの元素を作ったと主張し、この新元素にジョリオチウムという独自の名前を提案しました。 [ 54 ]ソ連の名前も受け入れられませんでした（JINRは後に元素番号102の命名を「性急だった」と述べました）。 [ 55 ]この名称は、1992年9月29日に署名された元素の発見の優先権に関するIUPACの裁定に対する書面による回答の中で提案された。 [ 55 ]「ノーベリウム」という名称は広く使用されているため変更されなかった。 [ 56 ]
  14. ^シーボーグは実際にはエドウィン・マクミランと共に「最初の超ウラン元素の化学における発見」により1951年のノーベル化学賞を受賞していた。 [ 63 ]
  15. ^半減期の値は情報源によって異なり、最も最近発表された値がリストされています。

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参考文献

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