ドゥブナ、ロシア— ここにあるフレロフ核反応研究所は、ある角度から見ると、伝説的な科学研究所というよりも自動車修理工場のように見えます。汚れた青いスモックを着た科学者たちが歩き回り、オイル ポンプがテクノ ビートを叩き出します。テーブルには、半分エタノールが入ったウォッカのボトルを含む、ボルトや洗浄液が散らばっています。そしてスペアパーツはどこにでもあります — ゴミ箱、棚、あらゆる種類の荒廃した金属で満たされた壁全体。
これらすべてがラボの 6 つの粒子加速器に使用され、そのうちのいくつかは巨大な機械のキャタピラーに似ており、数十のトラクターグリーンのセグメントが部屋全体を曲がりくねっています。または複数の部屋:機器が収まらない場合、研究者は壁に穴を開け、コンクリートに物をねじ込みます。加速器全体を見るには、かなりの体操が必要です 、危険なほど急な階段を登り、ぶら下がっているワイヤーのアナコンダをかわします。パイプの下に隠れていると、警告サインが表示されます。頭ではなく、機器に注意してください。フレロフでは、粒子が優先権を持っています。
当然のことです。これらの加速器は、過去半世紀にわたってさまざまな繰り返しで、周期表に 9 つの新しい元素を生成しました。これには、118 番までの 5 つの最も重い既知の元素が含まれます。
この研究を率いるのは物理学者のユーリ・オガネシアンで、1956 年にニキータ・フルシチョフがモスクワから北へ 2 時間の距離にある白樺の森に秘密の核研究所を設立する命令に署名して以来、フレロフに勤務しています。 85 歳のオガネシアンは、興奮すると軋み声を出す、ふさふさした白髪の小柄な男性です。彼は大学で建築を勉強したいと思っていましたが、官僚的な問題で物理学に転向しました。彼は今でも初恋を懐かしく思っています。「私の科学には視覚的な何かが本当に必要です。この不足を感じています。」
適切なことに、周期表の構造を彼以上に形作った生きている人はいません。そのため、元素118はオガネソンと呼ばれています。そして、彼はまだ終わっていません。この状況をさらに推し進めるために、ラボは超重元素工場 (SHEF) と呼ばれる新しい 6,000 万ドルの施設を建設しました。この施設は今春、元素 119、120、またはその両方の探索を開始する予定です。
一部の科学者は、特にそれらの原子が本質的に不安定で、瞬く間に消えてしまう場合、新しい元素を見つけることはお金の価値がないと主張しています. 「個人的には、科学者として、より短命の元素を生成することは刺激的ではありません」と、ミシガン州立大学 (イースト ランシング) で原子核構造を研究している物理学者 Witold Nazarewicz は言います。
しかし、要素ハンターにとって、その見返りは魅力的です。新しい要素により、表は現在 7 行の深さから 8 行に拡張され、一部の理論ではエキゾチックな形質が出現すると予測されています。その行の要素は、化学的および物理的特性が一定の間隔で繰り返されなくなる可能性があるため、テーブルの周期性を破壊することさえあります.さらに 8 行目に進むことで、ドミトリー メンデレーエフの時代から科学者が取り組んできた疑問に答えられる可能性があります。元素はいくつ存在するのか?そして、テーブルはどこまで進みますか?
SHEF を構築するという決定は、いくつかの点で困難でした。高コストに加えて、「工場」を建設することは、非常に多くの新しい要素を生み出した古い加速器を他のプロジェクトに放棄することを意味しました。 「感情的に」と Oganessian 氏は言います。「多くのものを [オフラインで] 手に入れるのは簡単ではありません。しかし、それ以外に前に進む方法はありません。」
自然界でかなりの量で見つかった最も重い元素は、原子番号 92 のウランです。重い原子のターゲットに軽い原子。時々、軽い原子と重い原子の原子核が衝突して融合し、新しい元素が生まれます。たとえば、ネオン (元素 10) をウランに衝突させると、ノーベリウム (102) が生成されます。
しかし、他の要因の中でも特に、正に帯電した原子核間の反発力が高まるため、原子が重くなるにつれて、核融合 (および生存) の可能性は著しく低下します。したがって、超重領域 (104 を超える) でほとんどの要素を作成するには、特別なトリックが必要です。オガネシアンは 1970 年代に常温核融合を開発しました。悪名高い 1980 年代の原子力研究とは無関係に、Oganessian の常温核融合は、従来の元素製造よりもサイズが類似したビームとターゲット原子を結合することを含みます。そして、それらを一緒に粉砕するのではなく、「2つの核を一緒にして、『ソフトタッチ』にします」とオガネシアンは言います。ビームとターゲット核は両方とも正に帯電しているため、互いに反発するため、これを行うのは思ったよりも困難です。入ってくる原子は、その反発力を克服するのに十分な速度を必要としますが、結果として生じる超重原子核を吹き飛ばすほどではありません.
要素メーカー
ドイツのダルムシュタットにある GSI ヘルムホルツ重イオン研究センターのチームは、オガネシアンの技術を完成させ、それを使用して 107 番から 112 番までの元素を作成しました。 2003 年から、日本の和光にある理研研究所のチームは、常温核融合を使用して元素 113 を作成しようとし、亜鉛 (元素 30) をビスマス (83) に焼き付けました。彼らは翌年と 2005 年に 1 つの原子を取得し、制御室で乾杯、ビール、酒で祝いました。
それから、苦しみが始まりました。発見を確認するためにもう 1 つの原子が必要だったため、理研チームは 2006 年と 2007 年に実験をやり直しましたが、何も現れませんでした。彼らは 2008 年と 2009 年に再試行しましたが、何もありませんでした。 7 年後の 2012 年まで、彼らは別のものを検出しませんでした。 「正直なところ、私たちは運が悪いと感じていました」と、理化学研究所の核化学者である羽場弘光氏は振り返ります。 「統計は神のみぞ知る」崩壊する前に 5 ミリ秒以上生き残った原子はありませんでした。
113 を超えるには、フレロフの科学者が 1990 年代後半に開発した別のアプローチ、ホット フュージョンが必要でした。熱核融合はより高いビームエネルギーを使用し、中性子が非常に多い特別な同位体であるカルシウム 48 に依存します。 (中性子は陽子の反発力を薄めることによって超重原子を安定化させますが、さもなければ原子核を引き裂いてしまいます。) カルシウム 48 は高価で、天然のカルシウム源から苦労して分離する必要があり、1 グラムあたり 25 万ドルです。しかし、投資は報われました。理研は 9 年間汗を流して 113 の 3 つの原子を見つけました。Dubna は 6 か月以内に 114 の原子を発見しました。Oganessian と同僚は制御室で歓声、ビール、スピリットのショットで祝いました。
その時点で、次のいくつかの超重戦車の製造は主に算術的でした。カルシウムは元素 20 であり、カルシウムとアメリシウム (元素 95) は元素 115 を生成します。カルシウムとキュリウム (96) は元素 116 を生成します。 2010 年までに、ダブナは、カリフォルニア州のローレンス リバモア国立研究所とテネシー州のオークリッジ国立研究所の科学者と協力して、周期表の 7 行目を埋めました。
しかし、118 の後、事態は再び停滞しました。核融合には数ミリグラムの標的元素が必要であり、元素119を作るのに十分な量のアインスタイニウム（元素99）を生成することは、今日の技術では不可能です.一部の研究者は、カルシウム 48 をチタン 50 に置き換えて陽子を 2 つ増やし、それを元素 97 と 98 で焼成して、それぞれ 119 と 120 を生成することを提案しました。しかし、技術的な理由から、チタンの融合の可能性はカルシウムの 20 分の 1 にすぎません。ほとんどのアクセラレータにとって、これは成功の可能性を理研の実験の領域に落とし込み、113 を作成することになります。これは神の統計です。
SHEF は、これらの障害を克服するために構築されました。古い Flerov アクセラレータのグリース モンキーの感触とは対照的に、SHEF は手付かずの状態です。ドア ハンドルはまだ気泡緩衝材で覆われており、今のところ床は汚れていません。
全体として、SHEF は屈強さと繊細さの融合です。ビームは、2 階建ての高さのイオン源と加速器から発生し、町のいくつかのダーチャよりも大きくなっています。イオン源は毎秒 6 兆個の原子を放出します。これは他の元素製造加速器の 10 倍から 20 倍です。数回 90° 回転した後 (狭いスペースで最もコンパクトな配置)、ビームは巨大なサイクロトロンに急降下します。サイクロトロンの 1000 トンの磁石は、最近のロシアとの戦争の最前線に近いウクライナのクラマトルスクで 2014 年に製造された、とフレロフ物理学者のアレクサンダー カルポフは言う。市は激しい砲撃やその他の軍事行動に耐え、カルポフ氏によると、研究室の職員は磁石が損傷または破壊されるのではないかと心配していました.
ビームを光速の約 10 分の 1 に加速した後、サイクロトロンはビームを操作のデリケートな部分に向けます。ターゲット原子がメッキされたマイクロメートルの薄さの金属箔です。これらのフォイルは、CD とほぼ同じサイズのディスクに取り付けられ、回転して冷却します。そうしないと、ビームによってフライで穴が開いてしまいます。
核融合が起こると、結果として生じる超重原子がフォイルを通り抜けます。残念ながら、ホイルは非常に薄いため、他の粒子のゴブもすり抜けて、無関係なノイズの吹雪が発生します.そんな時、セパレーターの出番です。消防車と同じ真っ赤に塗られた 5 つの磁石で構成されており、総重量は 1 つの 2 倍の 64 トンです。かさばるにもかかわらず、磁石は 0.01 mm 以内に配置されており、磁場は十分に正確であるため、ほぼすべてのビーム原子を含む軽い原子を除外して、ビーム ダンプと呼ばれる装置に誘導します。
セパレーターは、ビーム源と同様に、SHEF に利点をもたらします。以前のセパレーターは、速度、電荷、および方向の狭い範囲の超重原子に合わせて調整されていました。あまりにも逸脱したものは、ビームダンプに行き着きました。新しいセパレーターはより寛大で、超重原子の 2 ～ 3 倍を通過させます。
セパレーターを通過した後、原子はシリコンゲルマニウム検出器に到着し、原子の位置と到着時刻が記録され、監視が開始されます。超重原子は、一連のアルファ粒子 (2 つの陽子と 2 つの中性子の束) を放出することによって崩壊します。アルファを解放すると、アトムの ID が変更されます。要素 118 は 116 になり、要素は 114 になります。
この崩壊の連鎖によって、科学者はどの要素を作成したかをさかのぼって特定できます。チェーン内の各アルファ粒子は、特徴的なエネルギーで飛び去ります。そのため、検出器が適切なエネルギーを持つアルファを見つけた場合、そして決定的に、超重原子がちょうど着陸した検出器上の同じポイントから出現したことを確認した場合、さらなるアルファを注意深く監視し始めます。
その検索を支援するために、検出器はサイクロトロン ビームを自動的に遮断して、飛び回るゴミの量を減らします。シャットダウンにより、SHEF の制御室でも大きなビープ音が鳴ります。そこにはおそらく退屈している数人の科学者が座っているでしょう。 (最近ここにある別の制御室を訪れたとき、大学院生 2 人がおちゃめな SF モンスター映画を見ていました。) ベルは、単調さの中で興奮の瞬間です。
それも余計です。検出器内では、原子はアルファを放出し続けます。実際、科学者が音を記録する前に、崩壊連鎖のいくつかのイベントがすでに発生しています。スーパーヘビーでは、簡単に行くのは難しいです。科学者が生データをくまなく調べて、検出されたすべてのアルファ粒子を崩壊連鎖の特定の元素と照合した後になって初めて、最初に作成した元素を再構築できます。
より強力なビームとより寛大なセパレーターは、理論的には、チタン 50 核融合の低いオッズを相殺するはずです。これにより、Dubna チームは、119 または 120 の原子がすぐに姿を現すことを期待しています。理研のチームも 119 を探していますが、別のおそらくより難しい方法 (バナジウム、元素 23 をキュリウムに照射) を使用しています。 2 つの研究室の間で、科学者は 119 と 120 が約 5 年以内にどこかに現れると確信しています。
数十年にわたって振り返ってみると、人々はおそらく 3 年ごとにおよそ 1 つの新しい要素を作成してきました — 今まで.
- Pekka Pyykkö、ヘルシンキ大学
人々が心配するのは次の5年です。 120 よりも重い元素をホット フュージョンで作成することは不可能な場合があります。それらを検出することも同様に困難です。予想される寿命があまりにも低くなると、原子はセパレーターを通過する 1 マイクロ秒の移動に耐えられない可能性があります。代わりに飛行中に崩壊する可能性があります—跡形もなく消えるゴースト原子.
120 を超えると、おそらく新しいアプローチが必要になります。 「多核子移動反応」は、例えばウランをキュリウムに比較的低速で発射することを含み、これは別の「ソフトタッチ」である。それらの核は完全に融合することはありませんが、一方の塊が壊れて、もう一方の核にくっつく可能性があります.チャンクのサイズによっては、科学者は一度に 1 つの原子番号に沿ってインチングするのではなく、はるかに高い元素番号にジャンプすることさえあります.
ただし、そのような方法はまだ証明されていません。 「重元素の科学者は、一度に 1 つずつ研究するのが好きです」と、カリフォルニア州ローレンス バークレー国立研究所の重元素グループのリーダーである Jacklyn Gates は言います。そして 120 をはるかに超えて、彼女は言う、「何を探すべきか、探すべき半減期、探すべき崩壊特性を知るのに十分な情報さえありません。」
これらの困難を考慮して、一部の科学者は加速器の廃止を提案しています。 1つのアプローチでは、低出力の核爆発が標的原子の核融合反応を誘発します。 99 番元素と 100 番元素は、大気中の原爆実験の放射性降下物で最初に特定されました。それでも、ほとんどの科学者は、明らかな放射線障害と超重原子の寿命が短いことを考えると、そのアプローチに懐疑的です。
他の科学者は、昔ながらの方法で新しい要素を見つけることを提案しています:自然の中でそれらを探すことによって.物理学者が宇宙線、隕石、月の岩、さらには古代のサメの歯で超重物質を探していたので、それは実際には数十年前に人気のある娯楽でした.これらのプロジェクトからは何も生まれませんでした。今日、焦点は超新星爆発や、他の方法では決して自然界には見られないアインスタイニウムの兆候をスペクトルが示すプシビルスキー星などの異常な星に移っています。おそらく、この星の高温で高密度の内部には、さらに重い元素が含まれているのでしょう。
それでも、超重元素が自然界に存在するという保証はありません。そして、2010 年以降、新しい元素が作成されていない長い干ばつ期間が、一部の研究者を心配させています。
ヘルシンキ大学の理論化学者である Pekka Pyykkö は、「数十年を振り返ると、現在まで、おそらく 3 年ごとに 1 つの新しい元素が作られてきました」と述べています。今日の不毛な生活が、ニューノーマルになるかもしれません。
表への記入
科学者が新しい元素を作成するという技術的課題を克服できたとしても、別の問題が残ります。仮説上であっても、いくつの元素が存在できるのでしょうか?周期表はどこまで進むのでしょうか?
ある有名な理論では、元素 172 で終焉が予測されています。その地点より上で何が起こるかは誰にもわかりませんが、量子力学的な理由から、原子核が電子をむさぼり食い、陽子と融合し、副産物として中性子を生成する可能性があります。このプロセスは、陽子数が 172 に戻るまで続き、原子番号にハード キャップが設定されます。 (奇妙に聞こえるかもしれませんが、それは量子力学です。)
他の研究では、元素は 172 よりずっと前に枯渇することが示唆されています。原子核が大きくなると、陽子間の反発力が圧倒的になります。一般的なコンセンサスでは、核が新しい要素としてカウントされるには、少なくとも 10 秒間存続する必要があります。 110 年代の要素がすでにどれほど壊れやすいかを考えると、より重い要素は、それだけ長く保持するのに苦労する可能性があります。一部の科学者は、原子核が中空の泡や格子状のバッキーボールなどのエキゾチックな形状にねじれることで、この問題を克服できると予測しています。しかし、他の科学者は、これらの形状が安定しているとは考えていません。
130 年代または 140 年代にエキサイティングなことが起こる可能性があるため、これは残念です。特に、周期表の正弦条件 (周期性) が完全に崩壊する可能性があります。
一般に、表の同じ列内のすべての元素は、類似した化学的および物理的特性を持っています。しかし、その傾向が永遠に続くとは限りません。世界中の科学者は、超重原子がさまざまな物質にどのように付着するかを研究することで、単一の超重原子の特性を調べることに成功しました。そして、カラムと化学的挙動の間の関連性は、110 年代にすでに崩壊しているようです.
たとえば、元素 114 は室温で気体のように作用しますが、その上の元素である鉛は想像できる限り最も非気体のような物質です。同様に、元素 118 は希ガス柱に分類されますが、理論では電子を容易に引き付けると予測されています。これらの異常は、相対論的効果が原因で発生します。超重原子核の高く集中した電荷は、周囲の電子の軌道をゆがめ、電子の振る舞いや結合の形成に影響を与えます。
羽場が言うように、「超重元素の化学的性質は非常にユニークで、単純に推定することはできません。」また、114 と 118 は予想からわずかに外れているように見えますが、元素が重くなるにつれて相対論的効果が大きくなるだけなので、より重い元素でさえ、非常に予想外の特性を持つ可能性があります。では、異常な要素はどこに行くべきでしょうか?原子番号が行くべきだと言っている列か、それとも同様の性質を持つ元素の列か?
答えは、誰に尋ねるかによって異なります。一部の科学者にとって、表は主に基礎となる原子構造に関するものであり、化学的挙動に関するものではありません。したがって、逸脱は許されません。他の研究者はより実用的です。 「元素の化学が何であるかを知るには、周期表の方が便利なので、それを変更することを主張します」とゲイツ氏は言います。
Pyykkö は異常な要素のアイデアを極限まで推し進め、172 までのすべての要素の理論的特性を計算し、それらを未来的な表にまとめました。結果は耳障りです:ある時点で、原子番号のシーケンスは 164 から 139 および 140 に逆方向にジャンプしてから、169 にスキップします (左の表を参照)。奇妙なテーブルは現在、彼のオフィスの壁に掛けられています。 「私が講演をするとき、私は通常、この周期表で今世紀の残りの期間は十分だろうと冗談を言います.」
テーブルの構造をめぐる分裂を超えて、新しい要素を追求する価値があると考える人々と、時間とリソースの無駄だと考える人々の間には、より深い溝が存在します。ゲイツは彼女の懐疑論を表明します:「119 番元素または 120 番元素の場合、現在の技術では、1 つの原子の潜在的なビーム時間は何年にもわたります。それは何を示しているのでしょうか?」
それでも、一部の研究室が新しい要素を追求する理由を彼女は理解しています。実際、理研の 113 番元素の 9 年間の追求により、予算が大幅に増加しました。 113 はアジアで最初に作られた元素であったため、科学者たちは日本の民間の英雄になりました。誰かが彼らの作品について漫画本を出版したことさえあります.
Dubna の科学者たちは、自分たちの仕事は単なるトロフィー ハンティングではないと主張しています。 4 着のスポーツ ジャケットを所有し、それぞれに異なるロシアをテーマにした元素 (ドブニウム、フレロビウム、モスコビウム、オガネソン) のラペルピンを身に着けている Karpov 氏は、新しい元素を作成することで、半減期やその他の特性に関する理論的予測を検証できると述べています。
彼と彼の同僚は、いくつかの実験の実行中に、既存の超重元素に中性子を追加し、それらのより寿命の長いバージョンを生成することも試みます。新しい要素を作ることに懐疑的な Nazarewicz は、そこに価値があると考えています。 「もっと安定してほしい」と彼は言う。既存の元素をいじくり回すことで、科学者は安定の島 (長寿命の超重元素が存在すると想定されている領域) にたどり着き、それらの元素の特性を研究できるようになるかもしれません。少なくとも、新しい元素の製造に使用される技術は、医療用の放射性同位元素の製造や、衛星コンポーネントが粒子による衝撃にどれだけ耐えられるかをテストするのに役立ちます。
ただし、最終的には、新しい要素を探すこと自体が報酬となります—l'art pour l'art . 「陽子の数を増やすことには威厳があります」とカルポフは言います。 「限界が来るのは自然なこと」であり、それを超えようとする。さらに、彼は微笑みながら、モスコビウム製のラペルピンを輝かせながら、「あなたが最初に何かをしたと言うのは良いこともあります.」と言います.
