ニホニウム

ニホニウム: nihonium)は、原子番号113元素元素記号Nh超ウラン元素では比較的長寿命とされ、278Nhの平均寿命は2ミリ秒であることがわかっている[1]。これは日本人のグループ、森田グループが発見した元素である。新元素を発見、また命名したのは日本であり、アジア初となる[2]。2020年現在、周期表に正式追加された最新の元素の1つである。

コペルニシウム ニホニウム フレロビウム
Tl

Nh

Uht
113Nh
外見
不明
一般特性
名称, 記号, 番号 ニホニウム, Nh, 113
分類 卑金属
, 周期, ブロック 13, 7, P
原子量 [286]
電子配置 [Rn] 5f14 6d10 7s2 7p1
電子殻 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3(画像)
物理特性
固体
融点 400 (推定) °C
沸点 1100 (推定) °C
原子特性
共有結合半径 136 pm
その他
CAS登録番号 54084-70-7
主な同位体
詳細はニホニウムの同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
278Nh syn 0.34 ms α 11.68 274Rg
282Nh syn 73 ms α 10.63 278Rg
283Nh syn 0.10 s α 10.12 279Rg
284Nh syn 0.49 s α 10.00 280Rg
285Nh syn 5.5 s α 9.74, 9.48 281Rg
286Nh syn 19.6 s α 9.63 282Rg

名称

発見国である日本国にほんこくにちなんだ名称である。

2016年平成28年)11月に正式名称が決定するまでは、暫定的に IUPAC系統的命名法に則りウンウントリウムもしくはウンウントリチウム(記号Uut[3][注 1]と呼ばれていた。

周期表第13族元素に属し、タリウムの下に位置するため「エカタリウム」と呼ばれることもある。

歴史

2003年(平成15年)8月、ロシアのドゥブナ合同原子核研究所とアメリカのローレンス・リバモア国立研究所による合同研究チームがアメリシウムカルシウムから115番元素[注 2]元素合成に成功し、翌2004年2月、そのα崩壊の過程で0.48秒間、113番元素を観測したと発表したが[4]、当時は113番元素についての命名権は得られなかった。

2004年(平成16年)9月28日に日本の理化学研究所は、森田浩介博士らの率いるグループがRIビームファクトリー線形加速器RILACを用いて光速の10%(約30,000km/s)にまで加速した70Zn(亜鉛)を209Bi(ビスマス)に衝突させることで「113番元素」の合成に成功したと発表した[5][6][7][8][9]

この実験は80日間にわたって、2.8×1012 個/秒(1秒間に2.8兆個)の亜鉛原子核をビスマス原子核に約 1.7×1019 照射した。生成した113番元素の原子核は344マイクロ秒 (3.44×104 s) でα崩壊し、レントゲニウムの同位体となったのを、同年7月23日に検出している[6][7][9]。また2005年4月2日に同じ方法で行った合成で2個目の例を検出した。

2006年(平成18年)6月には、ドゥブナ合同原子核研究所とローレンス・リバモア国立研究所による合同研究チームが、ネプツニウムとカルシウムから113番元素の合成に成功したと発表している[10]

2009年(平成21年)にはドゥブナ合同原子核研究所やアメリカのオークリッジ国立研究所などによるバークリウムとカルシウムから117番元素[注 3]を元素合成する共同研究において、その崩壊過程で113番元素を検出している[11]

2012年(平成24年)9月27日、理化学研究所は3個目の合成を発表した[1][12]278Uutが6回のα崩壊を経て254Mdとなる崩壊系列の確認に初めて成功した。前回までの2例では4回目のα崩壊で生じる262Db自発核分裂してしまったが、今回はα崩壊(確率は2/3)し、次の258Lrもα崩壊で254Mdとなるのを観測できたため、合成した原子核が113番元素だと証明できた[1][6][13]

理化学研究所が3個の113番元素の合成および証明に成功したことから、2015年(平成27年)12月30日(日本時間31日早朝)、IUPAC評議会により理化学研究所の研究グループに113番元素の命名権が与えられた[14][15]。研究グループは名称案を2016年(平成28年)3月18日にIUPACに提出し[16]、2016年(平成28年)6月8日に「nihonium(ニホニウム)」(元素記号:Nh)と言う名称案が発表され、約5か月間にわたり一般からの意見を公募してパブリックレビューを受けた上で[17][18][19][20][21]、2016年(平成28年)11月30日にニホニウムに正式に決定となった[22][23]

2016年(平成28年)12月1日、113番元素の名称正式決定を受け記者会見する九州大学大学院理学研究院の教授の森田浩介(中央)と理化学研究所の理事長の松本紘(右)、仁科加速器研究センターのセンター長の延與秀人(左)、超重元素分析装置チームリーダー森本幸司(奥)

複数の発見者(命名権獲得)候補があったが、2015年(平成27年)12月30日(日本時間31日早朝)、IUPAC評議会[24]は延期していた、発見報告のある118番までの未発見元素4つについて認定することを発表し[14]、日本の理化学研究所の研究グループが113番元素の命名権を獲得したと発表した[15]アジアでは初の新元素の発見である[15]。同研究グループは2016年(平成28年)3月18日に名称案をIUPACに提出し[16]、早ければ2016年(平成28年)末から2017年(平成29年)初め頃にも承認・決定される見通しとなった[15][17]

2016年(平成28年)6月8日、IUPACは113番、115番、117番および118番元素の名称案を発表した。113番元素の名称案は「nihoniumニホニウム」(元素記号:Nh)とされた。これらの元素の名称案について約5か月間、一般からの意見を公募しパブリックレビューを受けた上で[17][18][19][20][21]、同年11月30日、決定に至った(後述[22][23]

命名権獲得までの経緯

理化学研究所のチームが、ロシアのドゥブナ合同原子核研究所およびアメリカのローレンス・リバモア国立研究所、オークリッジ国立研究所による合同研究チームと命名権を争うこととなり、その行方が注目されていた。

理化学研究所のチームは2004年(平成16年)7月23日と2005年(平成17年)4月2日の2回の合成[5][25]をもって2006年(平成18年)と2007年(平成19年)に合同作業部会に申請したが[6][7][9][13]、認定は見送られている[6][9][13]。同チームはその後2008年(平成20年)から2009年(平成21年)にかけての実験で、崩壊過程で生じる266Bhの存在をより確実にすることで証拠を補強した[6][9][13][26]。しかし2011年(平成23年)1月に発表された、国際純正・応用化学連合 (IUPAC) と国際純粋・応用物理学連合 (IUPAP) の113から116および118番元素についての合同作業部会の報告書[27]でも、113番元素の認定は見送られている。その一方で米露のグループは114番元素と116番元素の発見を認定されている。これは理化学研究所のような確実な証拠が無くとも充分な状況証拠があれば命名権が得られる前例となり、理化学研究所にとっては逆風となった[28]

理化学研究所のチームは2012年(平成24年)の合同作業部会にも申請しており、その審議中の8月12日に3個目の生成に成功している[注 4][6][9][12][13]レントゲニウム重イオン研究所が3個目の生成後に命名権を得ているため、命名権を獲得できる可能性が高まった。この年の申請は5月に締め切られており、追加の証拠という形で受理はされたものの、直ちに認定とはならなかった[28]。さらに何回か生成と崩壊系列を確認すれば命名権がより確実になるものの、必要な設備[注 5]は動かすのに数百万円から数十億円かかり、容易ではなかった。一方で翌年の2013年(平成25年)には米露のグループも状況証拠のみで命名権を満たす程度の充分なデータを揃えており、もし前年に理化学研究所が3例目の証拠を提出していなければこの時点で米露のグループが命名権を得ていた可能性が高かったと関係者は見ている[28]

2015年(平成27年)8月のIUPAC評議会[24]では認定および命名権の付与が検討されたものの決定が延期となっており、同年12月30日(日本時間31日早朝)にようやく認定に至った。

承認の背景

114から118番元素まではいずれもアクチノイドをターゲットにした励起エネルギーの高い「熱い核融合」により、合成に成功したグループに命名権が与えられている。この手法は、重い原子核を材料とするため成功率は高いが、必然的に中性子を多く含むため自発核分裂を生じやすく、『崩壊系列が、既知の核種に到達すること』という発見の大原則を達成できず、状況証拠どまりとなりがちだった。

一方、113番元素において理化学研究所は、中程度の重さの原子核同士を材料とする「冷たい核融合(コールドフュージョン)」により、自発核分裂を起こさず既知の核種に崩壊系列が繋がる、確実な証拠を得ることに成功した[注 6]

元素名の候補

理化学研究所の新元素合成実験は1990年代後半に「ジャポニウム計画[注 7]と名付けられ、以来実施されてきた経緯があり[30][31]、113番元素の名称についても「ジャポニウム」(元素記号:Jp、Jn)[注 8]もしくは「ジャパニウム」という名称が最有力とみられていたが、結果的に除外された[32][33]。2016年(平成28年)6月8日には前述のとおり同研究所のチームがIUPACに提出した名称案は「ニホニウム」(元素記号:Nh)であることが公表された[18][19][20][21]

なお、この他には同研究所所在地の和光市から「ワコニウム」、和光市の旧地名でもある大和町から「ヤマトニウム」、物理学者の仁科芳雄にちなむ「ニシナニウム」などの候補も挙がっていた[34]。また「ニッポニウム」(元素記号:Nm)は、43番元素として一度命名されたものの取り消された、レニウムを巡る過去の経緯から混乱を避けるため採用できないルールとなっており、除外されていた[35][36]

ネイチャー誌上での予想

イギリスの科学雑誌『ネイチャー』はブログ版「The Sceptical Chymist」で専門家による元素名の予想をオッズ付きで行なっており、このページでは上記の候補の他に、天照大神にちなんだ「Amaterasiumアマテラシウム」や、煙々羅にちなんだ「Enenraiumエネンライウム」、ゴジラにちなんだ「Godzilliumゴジリウム」なども候補に挙がっていた[37][38]

理化学研究所の発表

2016年(平成28年)6月8日、理化学研究所は113番元素の新名称として「nihoniumニホニウム」(元素記号:Nh)と命名する案を発表した[17][20][21]

正式決定

国際純正・応用化学連合 (IUPAC) は2016年(平成28年)11月30日、113番元素の名称について日本側の提案通りに「nihoniumニホニウム」(元素記号:Nh)と決定したことを発表した[22][23]

2017年(平成29年)3月14日、日本学士院会館にて皇太子徳仁親王臨席の下でニホニウム命名記念式典が挙行され、IUPACのナタリア・タラソバ会長が命名を宣言した[39]

同位体

ニホニウムの同位体の一覧
核種半減期[40]崩壊モード[40]発見年反応式
278Nh0.24ミリ秒α2004209Bi(70Zn,n)[5]
282Nh70ミリ秒α2006237Np(48Ca,3n)[41]
283Nh0.10秒α2003287Mc(—,α)[41]
284Nh0.48秒α, EC2003288Mc(—,α)[41]
285Nh5.5秒α2009293Ts(—,2α)[11]
286Nh20秒α2009294Ts(—,2α)[11]
287Nh20分?α, SF ?未発見

ニホニウムには安定同位体がなく、天然には存在しない。2つの原子核の融合によって合成するか、より重い原子核の崩壊を観察することによって、いくつかの放射性同位体が実験的に得られている。質量数278および282から286の同位体が発見されており、これらはすべてα崩壊によって崩壊するが、284Nh は電子捕獲も起こす可能性がある[42]

安定性と半減期

原子番号112、中性子数178付近で理論的に予測されている安定の島を描いた3Dグラフ

命名までに発見されたニホニウムの同位体はすべて寿命が短いが、それでも重い同位体のほうが軽いものよりも安定な傾向にある。発見報告のあるうちで、もっとも長命な同位体はもっとも重い同位体でもある 286Nh(半減期20)である。285Nh も半減期1秒を超えると報告されている。284Nh と 283Nh はそれぞれ0.48秒と0.10秒の半減期を有する。282Nh の半減期は70ミリ秒、既知の最も軽い同位体の 278Nh は半減期も最も短く0.24ミリ秒である。未発見のさらに重い同位体はもっと安定していると予測されており、例えば 287Nh は約20の半減期が予測されており[43]、この長さは 286Nh のものよりも2大きい[40]

ニホニウム同位体のα崩壊半減期の理論的推定値は、実験データとよく一致している[44]。未発見の同位体 293Nh が最も安定な同位体でβ崩壊すると予測されている[45]が、既知のニホニウムの同位体にベータ崩壊するものはまだ知られていない[40]

原子核の安定性は最も重い原生核種を持つプルトニウム以降の原子番号では急激に低下し、原子番号102以上の核種268Db を除いてすべて半減期が1日未満となっている。にもかかわらず、原子番号110のダームスタチウムから114のフレロビウムまでの間では安定性がわずかに上がる現象が見られる。はっきりとした理由は未だに解明されていないものの、この概念は核物理学において魔法数と呼ばれる法則に基づく「安定の島」として知られており、カリフォルニア大学グレン・シーボーグ教授によって、超重元素が予想よりも長い原子番号・質量数の範囲に渡って存在していることを説明するために提唱されたものである[46]

その他

理研新元素発見記念事業(ニホニウム通り)

理化学研究所の西門前に設置されたニホニウムの大型プレート(埼玉県和光市、2018年4月撮影)

理化学研究所のチームによる「ニホニウム」発見を受けて、同研究所がある埼玉県和光市では「理研新元素発見記念事業」に着手し[47]和光市駅から同研究所(西門前)までの道路約1.1キロメートル (km) をシンボルロード「ニホニウム通り[注 9]として整備すると2016年(平成28年)11月30日に発表した[47][48][51][52]

その後、2018年(平成30年)度末までにこの道路の歩道位置に原子番号1番から118番までの元素記号が描かれた路面プレート118枚(一辺30センチメートル (cm)、約10 m間隔で路面に設置)と113番ニホニウムの元素記号「Nh」が描かれた大型プレート1枚(一辺120 cm、同研究所西門前に設置)[注 10]の設置が完了し[54][注 11][注 12]、市民が理化学に触れることができる歩行者空間を形成。また、理化学研究所から寄贈された記念碑を和光市駅前に設置する他、いくつかのモニュメントや通り名標識[注 13]が通り沿いに設置されている[47][48][49][51][55][56]

脚注

注釈

  1. : ununtrium, Uut
  2. 後にモスコビウムと名付けられた。
  3. 後にテネシンと名付けられた。
  4. ただし、生成の成功が明らかとなったのは同年8月18日の事である[6][13]
  5. 線形加速器だけでなく、粒子を捕捉して崩壊を観測する装置などが必要。
  6. しかし中性子の少ない未発見元素の合成はほぼ限界に達しており、そのような確実な証拠をもって命名権が与えられた元素は、この時点でニホニウムが最後となっている。将来的にも、119番以降の元素のコールドフュージョンは期待されていない[9][29]
  7. 日本を表すラテン語の「japoniaジャポニア」にちなむ。
  8. これにより、周期表に初めて「J」の文字が出現する可能性があった。
  9. 2016年(平成28年)11月1日から20日までの間に4つの名称候補について同市が市民投票を実施し、425票中最多の165票を獲得した「ニホニウム通り」に命名することを決定した[47][48][49][50]。また、このニホニウム通りの区間も含まれる理化学研究所前の市道524号および527号の一部(延長約 1,268メートル〈m〉)について、その路線名をニホニウムの原子番号にちなみ113号に変更している[48][51]
  10. プレートはいずれも青銅[47][48][53]
  11. 当初は原子番号1番から112番までの元素記号が描かれた路面プレート112枚(一辺30 cm)と同じく113番ニホニウムの元素記号「Nh」が描かれた大型プレート1枚(一辺120 cm)を約10 m間隔で設置するとしていたが[47][48][49][51][53][55][56]、最終的に路面プレートは2018年(平成30年)度末時点で発見されている原子番号118番まで全て設置(113番ニホニウムのプレートについても路面プレートと大型プレートの両方を設置)する方針に変更された[54]
  12. 2017年(平成29年)7月時点で原子番号1番から39番までの路面プレートと113番ニホニウムの大型プレート計40枚に加え、ニホニウムを合成する際に30番亜鉛 (Zn) と共に用いた83番ビスマス (Bi) の路面プレート1枚を理化学研究所の手前に先行して設置していた(これらは埼玉県ふるさと創造資金を活用)[47][53][55][57][58]。なお、残りの路面プレートについてもふるさと納税などの寄附金を活用して2018年(平成30年)度中に設置が進められた[47][59][60]
  13. この他、理化学研究所仁科加速器研究センターにおいて複数の重イオン加速器から発生する重イオンビームを照射することで、突然変異を誘発し誕生した新品種「仁科春果(ニシナハルカ)」や「仁科知花(ニシナトモカ)」[61][62]の記念植樹なども行われている[63][64]

出典

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参考文献

原論文

書籍

関連項目

外部リンク

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