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「安定の島」の版間の差分

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{{翻訳直後|1=[https://en-two.iwiki.icu/w/index.php?title=Island_of_stability&oldid=883009446 英語版 "Island of stability" 18:52, 12 Feb 2019]|date=2019年2月}}
{{出典の明記|date=2016年1月}}
[[File:Island of Stability derived from Zagrebaev.png|right|thumb|400px|陽子の数（縦軸）と中性子の数（横軸）で分類された核種の[[半減期]]の測定値（四角で囲った部分）と予測値（それ以外の部分）。丸で囲った部分が安定の島があると予想される場所である<ref>{{cite conference |url=http://cyclotron.tamu.edu/nn2012/Slides/Plenary/NNC_2012_Zagrebaev.ppt |title=Opportunities for synthesis of new superheavy nuclei (What really can be done within the next few years) |first=Valeriy |last=Zagrebaev |author= |author-link= |date=28 May 2012 |year= |conference=11th International Conference on Nucleus-Nucleus Collisions (NN2012) |conference-url= |editor= |others= |volume= |edition= |book-title= |publisher= |archive-url=https://web.archive.org/web/20160303235203/http://cyclotron.tamu.edu/nn2012/Slides/Plenary/NNC_2012_Zagrebaev.ppt |archive-date=3 March 2016 |location=San Antonio, Texas, US |pages= |format= |id= |isbn= |bibcode= |oclc= |doi= |access-date= |quote= |ref= |postscript= |language= |page= |at= |trans-title= }}</ref>。]]
[[Image:Island-of-Stability2.png|thumb|500px|right|推測される安定元素の位置]]
{{原子核物理学}}
{{原子核物理学}}
'''安定の島'''（あんていのしま、Island of stability）は、[[原子核物理学]]において[[魔法数]]の陽子と中性子を含む[[超重元素|超重]][[核種]]では、[[超ウラン元素|ウランよりも重い元素]]における安定性低下の傾向が一時的に逆転するという予測のこと。安定の島の正確な位置については様々な予測がされてきたが、一般的には中性子数''N'' = 184で予測された閉殻に近づいていく[[コペルニシウム]]や[[フレロビウム]]同位体(<sup>291</sup>Cn, <sup>293</sup>Cn, <sup>298</sup>Flなど)付近に中心があると考えられている<ref name=KarpovSHE>{{cite journal|last=Karpov|first=A.V. |last2=Zagrebaev|first2=V.I. |last3=Palenzuela|first3=Y.M. |last4=Ruiz|first4=L.F. |last5=Greiner|first5=W. |title=Decay properties and stability of the heaviest elements |journal=International Journal of Modern Physics E|date=2012|volume=21|issue=2|pages=1250013–1–1250013–20|doi=10.1142/S0218301312500139
'''安定の島'''（あんていのしま、Island of stability）とは、[[原子核物理学]]で理論上予測される安定な[[超重核]]の分布のこと。[[グレン・シーボーグ]]によって唱えられた[[仮説]]。
|url=http://nrv.jinr.ru/karpov/publications/Karpov12_IJMPE.pdf|bibcode=2012IJMPE..2150013K }}</ref>。閉殻が[[核分裂]]に対するさらなる安定性を与え、[[アルファ崩壊]]に対する長い半減期をもたらすと考えられている。これらの効果は[[原子番号|''Z'']] = 114および''N'' = 184付近で最大になると予想されるが、安定性が増した領域は隣接元素をいくつか含むとも予想され、より重いダブルマジック核の周りにさらなる安定の島がある可能性もある。島の元素の安定性の推定値は普通数分から数日の半減期である。しかし、数百万年の半減期を予測している推定値もある<ref name=physorg>{{cite web |url=http://newscenter.lbl.gov/2009/09/24/114-confirmed/ |title=Superheavy Element&nbsp;114 Confirmed: A Stepping Stone to the Island of Stability |date=September 24, 2009 |publisher=[[ローレンス・リバモア国立研究所|Berkeley Lab]]|accessdate=2019年2月}}</ref>。


魔法数を予測する[[殻模型|核殻模型]]は1960年代から存在していたが、長寿命の超重核種の存在ははっきりと証明されてはいない。他の超重元素と同様、安定の島の核種は自然界で見つかったことはない。よってそれらは[[核反応]]において人工的に作り出す必要がある。そのような反応を実行する方法は見つかっておらず、島の中心近くの核を埋めるには新たなタイプの反応が必要になると思われる。しかしながら近年[[オガネソン]]までの超重元素の合成が成功したことは、未知の同位体でも続く可能性のある[[ダームスタチウム|110]]&ndash;[[フレロビウム|114]]の元素の周りにおけるわずかな安定化効果を示し、安定の島の存在を支持する<ref name=KarpovSHE /><ref name=beachhead />。
== 概説 ==
[[自然|天然]]に存在しない重い[[原子核]]は非常に不安定で、人工的に作ってもすぐに[[放射性崩壊|崩壊]]してしまう。しかし、[[陽子]]と[[中性子]]がともに[[魔法数]]の場合、特異的に安定する可能性がある。これは、[[核図表]]上でこれまでに知られている天然元素や[[人工元素]]の連なりから隔絶した、島状の分布を持つと考えられている。
これらの元素は「安定元素」である確率は皆無に等しいが、[[半減期]]が他の[[超アクチノイド元素]]に比べると何桁も大きいことが予想される。


==歴史==
現在、安定の島で中心を占めると考えられているのが[[ハッシウム]]292、[[フレロビウム]]298、[[ウンビニリウム]]304及び[[ウンビヘキシウム]]310であり、重い原子核同士を衝突させてひとつにする[[粒子加速器]]の実験が試みられている。
===概念の由来===
[[ジョン・ホイーラー]]は1955年に103以上の[[原子番号]]を持つ[[超重元素]]が存在する可能性を提案した<ref name=Transuraniumppl>{{cite book|last=Hoffman|first=D.C |last2=Ghiorso|first2=A.|last3=Seaborg|first3=G.T.|title=The Transuranium People: The Inside Story |journal=<!-- --> |publisher=World Scientific Publishing |date=2000|isbn=978-1-86094-087-3|bibcode=2000tpis.book.....H |doi=10.1142/p074 }}</ref>。当時知られていた元素以上に安定性が増す領域は、核の殻の概念が最初に解明された1957年に提案された<ref name=quest>{{cite journal|last=Bemis|first=C.E.|last2=Nix|first2=J.R.|date=1977|title=Superheavy elements - the quest in perspective|journal=Comments on Nuclear and Particle Physics|volume=7|issue=3|pages=65–78|url=http://inspirehep.net/record/1382449/files/v7-n3-p65.pdf|issn=0010-2709}}</ref>。[[殻模型]]は [[原子核]]が原子の中のはるかに大きい電子核構造に似た方法で「殻」の中に構築されている。すなわち、核の殻は通常互いに接近している量子[[エネルギー準位]]のグループであるが、時々[[中性子]]と[[陽子]]の数が核内の所与の殻のエネルギー準位を完全に満たすとき、次の殻を満たし始めるのに必要なエネルギーは非常に大きいということである。これらのいわゆる殻ギャップでは、核子あたりの[[結合エネルギー]]は極大値に達する。すなわち、そのような核は閉殻構造を持たないものよりも安定となるだろう<ref>{{cite web |last=Nave |first=R. |date=|title=Shell Model of Nucleus |work=[[:en:HyperPhysics|HyperPhysics]] |publisher=Department of Physics and Astronomy, [[:en:Georgia State University|Georgia State University]] |url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/shell.html |accessdate=22 January 2007 }}</ref>。この模型の最初の概念は、既知の閉殻のパターンから安定の島という概念が現れる超重元素への拡張をもたらした。中性子の1つの可能な魔法数は184であり、それと合う可能な陽子数は114, 120, 122, 124, 126である<ref name="prc08">{{cite journal
|last1=Chowdhury |first1=P. R.
|last2=Samanta |first2=C.
|last3=Basu |first3=D. N.
|date=2008
|title=Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability
|journal=[[Physical Review C]]
|volume=77 |issue=4 |page=044603
|arxiv=0802.3837
|bibcode=2008PhRvC..77d4603C
|doi=10.1103/PhysRevC.77.044603
}}</ref><ref>{{cite journal
|last1=Roy Chowdhury |first1=P.
|last2=Samanta |first2=C.
|last3=Basu |first3=D. N.
|date=2008
|title=Nuclear half-lives for α-radioactivity of elements with 100 ≤ Z ≤ 130
|journal=[[:en:Atomic Data and Nuclear Data Tables|Atomic Data and Nuclear Data Tables]]
|volume=94 |issue=6 |pages=781–806
|arxiv=0802.4161
|bibcode=2008ADNDT..94..781C
|doi=10.1016/j.adt.2008.01.003
}}</ref><ref name=hoffman15>{{cite journal|last=Hofmann|first=S.|title=Super-heavy nuclei|date=2015|journal=Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics|volume=42|issue=11|pages=114001–1—114001–26|doi=10.1088/0954-3899/42/11/114001|url=https://www.researchgate.net/publication/282600117}}</ref>。最も重い安定核[[鉛の同位体|<sup>208</sup>Pb]]の次の[[魔法数|ダブルマジック]]核（閉じた陽子と中性子の核を持つ）は<sup>310</sup>126であると提案されており、これは陽子と中性子ともに[[魔法数]]であり、よってこの核は非常に長い半減期を持つと考えられていた<ref name=quest />。後の計算で<sup>298</sup>Fl (''Z'' = 114) が次のダブルマジック核となり、<sup>310</sup>126はマイクロ秒以下のα崩壊を受けることが示された<ref name=quest />。

1965年、「安定の島」の可能性が[[グレン・シーボーグ]]により最初に提案され、後に[[ローレンス・バークレー国立研究所]]の研究者が興味を持つようになった<ref>{{cite web |title=The Island of Stability? |url=http://www.guerrillaexplorer.com/2011/11/island-of-stability.html |accessdate=2012-07-24}}</ref>。同位体<sup>298</sup>Fl (''Z'' = 114, ''N'' = 184) は、可能性のあるダブルマジック数により特に興味深い物であった<ref name=proceedings>{{cite book |editor1-last=Lodhi |editor1-first=M.A.K. |title=Superheavy Elements: Proceedings of the International Symposium on Superheavy Elements |location= Lubbock, Texas |publisher=Pergamon Press |date=March 1978 |isbn=978-0-08-022946-1}}</ref>。この「魔法の島」への関心は、いくつかの計算により安定の島の超重原子は数十億年の半減期がある可能性があると示されたことでその後数年で大きくなっていった<ref name=proceedings /><ref name=nuclei>{{cite journal |last=Oganessian |first=Y. |year=2012 |title=Nuclei in the "Island of Stability" of Superheavy Elements |journal=[[:en:Journal of Physics: Conference Series|Journal of Physics: Conference Series]] |volume=337 |issue=1 |page=012005 |bibcode=2012JPhCS.337a2005O |doi=10.1088/1742-6596/337/1/012005}}</ref>。安定の島の元素はその高い原子質量にも関わらず[[自発核分裂]]に対して特に安定と予測されていた<ref name=quest /><ref name="Cwiok">{{cite journal |last1=Ćwiok |first1=S. |last2=Heenen |first2=P.-H. |last3=Nazarewicz |first3=W. |year=2005 |title=Shape coexistence and triaxiality in the superheavy nuclei |url=http://www.phys.utk.edu/witek/fission/utk/Papers/natureSHE.pdf |journal=[[Nature (journal)|Nature]] |volume=433 |issue=7027 |pages=705–709 |bibcode=2005Natur.433..705C |doi=10.1038/nature03336 |pmid=15716943 |deadurl=yes |archiveurl=https://web.archive.org/web/20100623081932/http://www.phys.utk.edu/witek/fission/utk/Papers/natureSHE.pdf |archivedate=2010-06-23 |df= }}</ref>。もし長寿命の超重元素が存在すると、[[中性子源]]として粒子加速器におよび非常に低い臨界質量の結果として核兵器に使われるだろうと考えられた<ref>{{cite book |last1=Gsponer |first1=A. |last2=Hurni |first2=J.-P. |year=2009 |title=Fourth Generation Nuclear Weapons: The physical principles of thermonuclear explosives, inertial confinement fusion, and the quest for fourth generation nuclear weapons |edition=3rd printing of the 7th |pages=129–133}}</ref>。これらの推測により、1960年代70年代には多くの研究者が自然界でおよび[[粒子加速器]]による[[元素合成]]を用いて超重元素を探究した<ref name=Transuraniumppl />。

===実験的結果===
<div style="float:right; margin:0; padding:0.5em; font-size:85%;">
{|class="wikitable sortable"
|+超重元素の最も安定な同位体 (''Z'' ≥ 104)<ref>{{Citation| title = The N<small>UBASE</small>2016 evaluation of nuclear properties | doi = 10.1088/1674-1137/41/3/030001 | last1 = Audi | first1 = G. | last2 = Kondev | first2 = F. G. | last3 = Wang| first3 = M. | last4 = Huang| first4 = W. J. | last5 = Naimi | first5 = S. | journal = Chinese Physics C | volume = 41 |issue=3 |pages=030001-1—030001-138 | year = 2017 | url = https://www-nds.iaea.org/amdc/ame2016/NUBASE2016.pdf | bibcode=2017ChPhC..41c0001A}}</ref><ref name=emsley /><ref name=shesummary>{{cite journal|last=Oganessian|first=Y.T.|date=2015|title=Super-heavy element research|url=https://www.researchgate.net/publication/273327193|journal=Reports on Progress in Physics|volume=78|issue=3|pages=036301|doi=10.1088/0034-4885/78/3/036301|pmid=25746203|bibcode=2015RPPh...78c6301O}}</ref>
|-
!元素
!原子番号
!最も安定な同位体
!半減期
|-
|[[ラザホージウム]]||104||[[ラザホージウムの同位体|<sup>267</sup>Rf]]||data-sort-value=9000|2.5時間
|-
|[[ドブニウム]]||105||[[ドブニウムの同位体|<sup>268</sup>Db]]||data-sort-value=104400|1.2日
|-
|[[シーボーギウム]]||106||[[シーボーギウムの同位体|<sup>269</sup>Sg]]||data-sort-value=840|14分
|-
|[[ボーリウム]]||107||[[ボーリウムの同位体|<sup>270</sup>Bh]]{{efn|未確認の<sup>278</sup>Bhは11.5分という長い半減期を持つ可能性がある}}||data-sort-value=60|1分
|-
|[[ハッシウム]]||108||[[ハッシウムの同位体|<sup>270</sup>Hs]]||data-sort-value=10|10秒
|-
|[[マイトネリウム]]||109||[[マイトネリウムの同位体|<sup>278</sup>Mt]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}{{efn|未確認の<sup>282</sup>Mtは1.1分という長い半減期を持つ可能性がある}}||data-sort-value=7.6|7.6秒
|-
|[[ダームスタチウム]]||110||[[ダームスタチウムの同位体|<sup>281</sup>Ds]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}||data-sort-value=9.6|9.6秒
|-
|[[レントゲニウム]]||111||[[レントゲニウムの同位体|<sup>282</sup>Rg]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}{{efn|未確認の<sup>286</sup>Rgは10.7分という長い半減期を持つ可能性がある。}}||data-sort-value=100|1.7分
|-
|[[コペルニシウム]]||112||[[コペルニシウムの同位体|<sup>285</sup>Cn]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}||data-sort-value=29|29秒
|-
|[[ニホニウム]]||113||[[ニホニウムの同位体|<sup>286</sup>Nh]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}||data-sort-value=9.5|9.5秒
|-
|[[フレロビウム]]||114||[[フレロビウムの同位体|<sup>289</sup>Fl]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}{{efn|未確認の<sup>290</sup>Flは19秒という長い半減期を持つ可能性がある。}}||data-sort-value=1.9|1.9秒
|-
|[[モスコビウム]]||115||[[モスコビウムの同位体|<sup>290</sup>Mc]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}||data-sort-value=0.65|650ミリ秒
|-
|[[リバモリウム]]||116||[[リバモリウムの同位体|<sup>293</sup>Lv]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}||data-sort-value=0.057|57ミリ秒
|-
|[[テネシン]]||117||[[テネシンの同位体|<sup>294</sup>Ts]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}||data-sort-value=0.051|51ミリ秒
|-
|[[オガネソン]]||118||[[オガネソンの同位体|<sup>294</sup>Og]]{{efn|name=X|109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。}}{{efn|未確認の<sup>295</sup>Ogは181ミリ秒という長い半減期を持つ可能性がある。}}||data-sort-value=0.00069|690マイクロ秒
|}
</div>
[[File:Even Z alpha decay chains.svg|thumb|right|400px|Zが偶数の超重元素で観測された崩壊系列をまとめたもの<ref name=Hofmann2016>{{cite journal |last=Hofmann |first=S. |last2=Heinz |first2=S. |first3=R. |last3=Mann |first4=J. |last4=Maurer |first5=G. |last5=Münzenberg |first6=S. |last6=Antalic |first7=W. |last7=Barth |first8=H. G. |last8=Burkhard |first9=L. |last9=Dahl |first10=K. |last10=Eberhardt |first11=R. |last11=Grzywacz |first12=J. H. |last12=Hamilton |first13=R. A. |last13=Henderson |first14=J. M. |last14=Kenneally |first15=B. |last15=Kindler |first16=I. |last16=Kojouharov |first17=R. |last17=Lang |first18=B. |last18=Lommel |first19=K. |last19=Miernik |first20=D. |last20=Miller |first21=K. J. |last21=Moody |first22=K. |last22=Morita |first23=K. |last23=Nishio |first24=A. G. |last24=Popeko |first25=J. B. |last25=Roberto |first26=J. |last26=Runke |first27=K. P. |last27=Rykaczewski |first28=S. |last28=Saro |first29=C. |last29=Scheidenberger |first30=H. J. |last30=Schött |first31=D. A. |last31=Shaughnessy |first32=M. A. |last32=Stoyer |first33=P. |last33=Thörle-Popiesch |first34=K. |last34=Tinschert |first35=N. |last35=Trautmann |first36=J. |last36=Uusitalo |first37=A. V. |last37=Yeremin |date=2016 |title=Review of even element super-heavy nuclei and search for element 120 |journal=The European Physical Journal A |volume=2016 |issue=52 |doi=10.1140/epja/i2016-16180-4|bibcode=2016EPJA...52..180H |url=https://www.researchgate.net/publication/304459935 }}</ref>。特に110, 112, 114では過剰な中性子が多い同位体の安定性が増すという一般的な傾向がある。このことは安定の島の中心はより重い同位体の中にあることを強く示唆している。]]
{{see also|拡張周期表}}
1970年代に長寿命の超重核の探索が数多く行われた。110から127の原子番号の様々な元素を合成することを目的とした実験が世界中の研究所で行われたものの成功したものはなかった<ref name=proceedings /><ref name=emsley>{{cite book|last=Emsley|first=John|title=Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements|edition=New|year=2011|publisher=Oxford University Press|location=New York, NY|isbn=978-0-19-960563-7|page=588}}</ref>。このことはこのとき行われた実験は[[反応断面積|断面積]]が小さい場合は感度が不十分もしくは融合蒸発反応を介して到達可能な核はどれも検出するには寿命が短すぎることを示している。より最近の実験ではこれが事実であろうことが明らかにされている<ref name=Karpov>{{cite web<!--Citation bot deny--> |url=http://cyclotron.tamu.edu/she2015/assets/pdfs/presentations/Karpov_SHE_2015_TAMU.pdf |title=Superheavy Nuclei: which regions of nuclear map are accessible in the nearest studies |last=Karpov |first=A |last2=Zagrebaev |first2=V |last3=Greiner |first3=W |date=2015 |work=SHE-2015 |access-date=30 October 2018}}</ref>。自然界での同様の探索も失敗し、鉱石1[[モル]]当たりの超重元素の存在量の上限は10<sup>−14</sup> と 10<sup>−11</sup> の間に設定された<ref name=Transuraniumppl />。これらの失敗にも関わらず<ref name=quest />、軽イオン衝撃と常温核融合反応により新たな超重元素が数年ごとに様々な研究室で[[化学元素発見の年表|発見]]されていた。最初の[[超アクチノイド元素]]である[[ラザホージウム]]は1969年に発見され、1996年には[[コペルニシウム]]まで到達した。これらの原子核は半減期が非常に短い（[[秒]]のオーダー）にも関わらず<ref name=Transuraniumppl />、ラザホージウムより重い元素が存在することは閉殻により引き起こされると考えられる安定化効果を示している。そのような効果を考慮しない[[ベーテ・ヴァイツゼッカーの公式|モデル]]では、これらの元素は急速な自発核分裂により存在できないことになる<ref name=liquiddrop>{{cite journal|last=Möller|first=P.|date=2016|title=The limits of the nuclear chart set by fission and alpha decay|journal=EPJ Web of Conferences|volume=131|pages=03002:1–8|url=http://inspirehep.net/record/1502715/files/epjconf-NS160-03002.pdf|doi=10.1051/epjconf/201613103002|bibcode=2016EPJWC.13103002M}}</ref>。
魔法数である114の陽子を持つと予想されたフレロビウムは1998年に[[ユーリイ・オガネシアン]]らによりロシアの[[ドゥブナ合同原子核研究所]]で初めて合成された。元素114の単一原子が検出され、寿命は30.4秒、その[[崩壊生成物]]は数分間の半減期を持っており測定することができた<ref name="99Og01">
{{cite journal
|last1=Oganessian |first1=Yu. Ts.
|display-authors=etal
|date=1999
|title=Synthesis of Superheavy Nuclei in the <sup>48</sup>Ca + <sup>244</sup>Pu Reaction
|url=http://flerovlab.jinr.ru/linkc/flnr_presentations/articles/synthesis_of_Element_114_1999.pdf
|journal=[[Physical Review Letters]]
|volume=83 |issue=16 |page=3154
|bibcode=1999PhRvL..83.3154O
|doi=10.1103/PhysRevLett.83.3154
}}</ref>。このことは安定の島の特徴である崩壊系列の「教科書的例」とされ、この領域に安定の島が存在することの強力な証拠を提供した<ref name=Transuraniumppl />。その後の20年間でさらに成功した実験により[[オガネソン]]までの全ての元素を発見するに至った。このオガネソンの崩壊特性はより安定の島の存在を支持した<ref name=beachhead>{{cite journal|last=Oganessian|first=Y.T.|last2=Rykaczewski|first2=K.|title=A beachhead on the island of stability|date=2015|journal=Physics Today|volume=68|issue=8|pages=32–38|doi=10.1063/PT.3.2880|url=https://www.researchgate.net/publication/282806685|bibcode=2015PhT....68h..32O}}</ref><ref name=48Ca>{{cite journal|last=Oganessian|first=Y. |title=Heaviest nuclei from <sup>48</sup>Ca-induced reactions|date=2007|journal=Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics|volume=34|issue=4 |pages=R165–R242|doi=10.1088/0954-3899/34/4/R01|url=https://www.nucleonica.com/wiki/images/4/41/Oganessian.pdf|bibcode=2007JPhG...34R.165O }}</ref>。既知の原子核は今までどおり最大の安定性が期待される''N'' = 184以下のいくつかの中性子になるが（最も中性子が多い原子核<sup>293</sup>Lv と <sup>294</sup>Tsでも''N'' = 177にしか達しない）、島の中心の位置はまだ分からないままであり<ref name=physorg/><ref name=beachhead />、''N'' = 184に近いほど安定性が増す傾向が示されている。例えば<sup>277</sup>Cnよりも8個中性子が多い同位体<sup>285</sup>Cnは半減期がおよそ5桁長い。このことは未知のより重い同位体でも続くと予想される<ref name=Zagrebaev />。

====変形核====
1990年代初めからの研究により、超重元素が完全に球形である核を持たないことが示された<ref name=structure>{{cite journal|title=Structure of Odd-N Superheavy Elements |journal=Physical Review Letters |volume=83 |issue=6 |pages=1108–1111 |year=1999 |doi=10.1103/PhysRevLett.83.1108 |last1=Ćwiok |first1=S. |last2=Nazarewicz |first2=W. |last3=Heenen |first3=P. H. |bibcode=1999PhRvL..83.1108C }}</ref>。殻は球形の場合は安定していると見なされる。核の形状が変わると、殻の中の中性子と陽子の位置が変わる。近年の研究により、大きな核が変形し魔法数を球形のものと比べて変化させることが示されている。現在の理論的調査により''Z''&nbsp;=&nbsp;106–108 や ''N''&nbsp;≈&nbsp;160–164の領域では、変形した原子核に対する殻の効果の結果として原子核が核分裂に対してより強い抵抗力があり、よってそのような超重核はα崩壊を受けるだけであるだろうことが示されている<ref name="predictions" /><ref name="longlived" /><ref name="nuclear" />。[[ハッシウム]]-270は現在ダブルマジック変形核であり、変形魔法数''Z'' = 108, ''N'' = 162と考えられている。半減期は10秒である<ref name=270Hs01>{{cite thesis |last=Dvořák |first=J. |year=2007 |title=Decay properties of nuclei close to ''Z'' = 108 and ''N'' = 162 |url=http://d-nb.info/985213566 |publisher=[[ミュンヘン工科大学|Technische Universität München]] |type=PhD thesis}}</ref><ref name=270Hs02>{{Cite journal |last1=Dvorak |first1=J. |displayauthors=etal |year=2006 |title=Doubly Magic Nucleus {{su|p=270|b=108}}Hs{{su|b=162}} |journal=[[Physical Review Letters]] |volume=97 |issue=24 |page=242501 |bibcode=2006PhRvL..97x2501D |doi=10.1103/PhysRevLett.97.242501 |pmid=17280272}}</ref>。''N'' = 162近くで隣り合うハッシウムとシーボーギウム同位体の崩壊特性の決定は、変形核における相対的安定の領域についてのさらなる強力な証拠を提供してくれる<ref name="Cwiok" />。

==予測される崩壊特性==

[[File:Island of Stability.svg|alt=A 3D graph of stability of elements vs. number of protons Z and neutrons N, showing a "mountain chain" running diagonally through the graph from the low to high numbers, as well as an "island of stability" at high N and Z.|thumb|400x400px|中性子数''N''&nbsp;=&nbsp;178, [[原子番号|''Z'']]&nbsp;=&nbsp;112近くの理論的な安定の島の3Dレンダリング]]

「島の上の」核種は観測されていないため、安定の島にある核の[[半減期]]は未知である。多くの物理学者はこれらの核の半減期は比較的短く、数分から数日のオーダーであると考えている<ref name=physorg />。その半減期は100年のオーダーと長く<ref name=KarpovSHE /><ref name=Karpov />、10<sup>9</sup>年にもなる可能性がある<ref name=nuclei />ことを示す理論計算もある。

''N'' = 184での閉殻により、アルファ崩壊と自発核分裂の[[部分半減期]]がより長くなると予測されている<ref name=KarpovSHE />。閉殻は<sup>298</sup>Fl付近でのより高い分裂障壁をもたらし、核分裂を強く妨げ、これによりおそらくは閉殻に影響を受けない核の分裂半減期よりも半減期が30桁も大きくなると考えられる<ref name=quest /><ref name=SHlimit>{{cite conference|last=Koura|first=H.|date=2011|title=Decay modes and a limit of existence of nuclei in the superheavy mass region|url=http://tan11.jinr.ru/pdf/10_Sep/S_2/05_Koura.pdf|conference=4th International Conference on the Chemistry and Physics of the Transactinide Elements|accessdate=18 November 2018}}</ref>。例えば、ダブルマジック核<sup>298</sup>Flは10<sup>19</sup>年オーダーの自発核分裂半減期を持つ可能性がある<ref name=quest />。これは安定化効果の限界を決めていると考えられている既知の中性子欠如同位体[[フレロビウムの同位体|<sup>284</sup>Fl]](''N'' = 170)の半減期2.5msよりもずっと長い<ref name=PuCa2017>{{cite journal |last1=Utyonkov |first1=V. K. |last2=Brewer |first2=N. T. |first3=Yu. Ts. |last3=Oganessian |first4=K. P. |last4=Rykaczewski |first5=F. Sh. |last5=Abdullin |first6=S. N. |last6=Dimitriev |first7=R. K. |last7=Grzywacz |first8=M. G. |last8=Itkis |first9=K. |last9=Miernik |first10=A. N. |last10=Polyakov |first11=J. B. |last11=Roberto |first12=R. N. |last12=Sagaidak |first13=I. V. |last13=Shirokovsky |first14=M. V. |last14=Shumeiko |first15=Yu. S. |last15=Tsyganov |first16=A. A. |last16=Voinov |first17=V. G. |last17=Subbotin |first18=A. M. |last18=Sukhov |first19=A. V. |last19=Karpov |first20=A. G. |last20=Popeko |first21=A. V. |last21=Sabel'nikov |first22=A. I. |last22=Svirikhin |first23=G. K. |last23=Vostokin |first24=J. H. |last24=Hamilton |first25=N. D. |last25=Kovrinzhykh |first26=L. |last26=Schlattauer |first27=M. A. |last27=Stoyer |first28=Z. |last28=Gan |first29=W. X. |last29=Huang |first30=L. |last30=Ma |date=30 January 2018 |title=Neutron-deficient superheavy nuclei obtained in the <sup>240</sup>Pu+<sup>48</sup>Ca reaction |journal=Physical Review C |volume=97 |issue=14320 |pages=014320 |doi=10.1103/PhysRevC.97.014320|bibcode=2018PhRvC..97a4320U }}</ref>。未発見の同位体の中にはさらに短い半減期で核分裂を起こし、安定の島を超える超重核の存在と観測可能性を制限すると予測されるものがある（すなわち ''Z'' > 120 および ''N'' > 184<ref name=liquiddrop />。これらの核はマイクロ秒以下でアルファ崩壊もしくは自発核分裂を起こす可能性がある）<ref name="predictions" /><ref name="longlived" /><ref name="nuclear" />。島の中心部においては、アルファ崩壊と自発核分裂の間に競合があるかもしれないが、正確な比率はモデルに強く依存する<ref name=KarpovSHE />。100&nbsp;≤&nbsp;Z&nbsp;≤&nbsp;130の1700個の原子核のアルファ崩壊半減期が実験的・理論的アルファ崩壊[[Q値 (核科学)|Q値]]を用いて量子トンネルモデルで計算されており、いくつかの重い同位体については観測された半減期と一致が見られている{{efn|<ref name="predictions">{{Cite journal |last1=Samanta |first1=C. |last2=Chowdhury |first2=P. R. |last3=Basu |first3=D. N. |year=2007 |title=Predictions of alpha decay half lives of heavy and superheavy elements |journal=[[Nuclear Physics A]] |volume=789 |issue= 1–4|pages=142–154 |arxiv=nucl-th/0703086 |bibcode=2007NuPhA.789..142S |doi=10.1016/j.nuclphysa.2007.04.001|citeseerx=10.1.1.264.8177 }}</ref><ref name="longlived">{{Cite journal |last=Chowdhury |first=P. R. |last2=Samanta |first2=C. |last3=Basu |first3=D. N. |year=2008 |title=Search for long lived heaviest nuclei beyond the valley of stability |journal=[[Physical Review C]] |volume=77 |issue=4 |page=044603 |arxiv=0802.3837 |bibcode=2008PhRvC..77d4603C |doi=10.1103/PhysRevC.77.044603}}</ref><ref name="nuclear">{{Cite journal |last=Chowdhury |first=P. R. |last2=Samanta |first2=C. |last3=Basu |first3=D. N. |year=2008 |title=Nuclear half-lives for α-radioactivity of elements with 100&nbsp;≤&nbsp;Z&nbsp;≤&nbsp;130 |journal=[[:en:Atomic Data and Nuclear Data Tables|Atomic Data and Nuclear Data Tables]] |volume=94 |issue=6 |pages=781–806 |arxiv=0802.4161 |bibcode=2008ADNDT..94..781C |doi=10.1016/j.adt.2008.01.003}}</ref><ref name="half-lifesall">{{Cite journal |last=Chowdhury |first=P. R. |last2=Samanta |first2=C. |last3=Basu |first3=D. N. |year=2006 |title=α decay half-lives of new superheavy elements |journal=[[Physical Review C]] |volume=73 |issue= 1|page=014612 |arxiv=nucl-th/0507054 |bibcode=2006PhRvC..73a4612C |doi=10.1103/PhysRevC.73.014612}}</ref><ref name="decaychains">{{Cite journal |last=Chowdhury |first=P. R. |last2=Basu |first2=D. N. |last3=Samanta |first3=C. |date=2007 |title=α decay chains from element 113 |journal=[[Physical Review C]] |volume=75 |issue=4 |page=047306 |arxiv=0704.3927 |bibcode=2007PhRvC..75d7306C |doi=10.1103/PhysRevC.75.047306}}</ref><ref name="tunneling">{{Cite journal |last1=Samanta |first1=C. |last2=Basu |first2=D. N. |last3=Chowdhury |first3=P. R. |year=2007 |title=Quantum tunneling in <sup>277</sup>112 and its alpha-decay chain |journal=[[Journal of the Physical Society of Japan]] |volume=76 |issue=12 |pages=124201 |arxiv=0708.4355 |bibcode=2007JPSJ...76l4201S |doi=10.1143/JPSJ.76.124201}}</ref>}}。[[ベータ崩壊]]は島の中心と予測される場所付近、特に元素111-115の同位体で他の崩壊モードと競合すると予測されているため、最も半減期の長い同位体も同様にベータ安定線上にあると予測されている<ref name=KarpovSHE />。全ての崩壊モードを考慮すると、様々なモデルにより島の中心（すなわち最長寿命の核種）の<sup>298</sup>Flからより低い原子番号へのシフトが示されている<ref name="Nilsson1969">{{cite journal |last1=Nilsson |first1=S. G. |display-authors=etal |year=1969 |title=On the nuclear structure and stability of heavy and superheavy elements |journal=[[Nuclear Physics A]] |volume=131 |issue=1 |pages=1–66 |bibcode = 1969NuPhA.131....1N |doi=10.1016/0375-9474(69)90809-4|url=http://www.escholarship.org/uc/item/0d8319f2 |type=Submitted manuscript }}</ref>。この中には<sup>291</sup>Cnと<sup>293</sup>Cnの100年半減期<ref name=Karpov />、<sup>296</sup>Cnの1000年半減期<ref name=Karpov />、<sup>294</sup>Dsの300年半減期<ref name=SHlimit />（後者2つは''N'' = 184の閉殻）が含まれる。

これらの半減期は超重元素としては比較的長くなるが、地球上に原始的に存在するには短すぎる。原始アクニチド(<sup>232</sup>Th, <sup>235</sup>U, <sup>238</sup>U)と自発および誘導核分裂に対する安定の島の間の中間の核の不安定性は、[[r過程]]での核合成におけるそれらの生成を阻害する可能性があるが<ref name=natural>{{cite journal|last=Petermann |first=I|last2=Langanke|first2=K.|last3=Martínez-Pinedo|first3=G.|last4=Panov|first4=I.V |last5=Reinhard|first5=P.G.|last6=Thielemann|first6=F.K.|date=2012|title=Have superheavy elements been produced in nature?|journal=European Physical Journal A|volume=48|issue=122|url=https://www.researchgate.net/publication/229156774|doi=10.1140/epja/i2012-12122-6}}</ref>、宇宙線内で[[鉛]]に対して10<sup>−12</sup>の存在量で起こる可能性がある<ref name=Zagrebaev />。

最も重い超重元素の考えられる強い崩壊モードは、Dorin N. Poenaru, R.A. Gherghescu, [[ワルター・グライナー]]により[[クラスタ崩壊]]であることが示された。それにもかかわらず、これは''Z'' = [[ウンビビウム|122]]より大きいものの影響が大きく、島の中心が予測よりも高い原子番号でない限り島の中心近くの同位体の崩壊への影響を小さくすると予測されている<ref name="cldec">{{Cite journal |last1=Poenaru |first1=D. N. |last2=Gherghescu |first2=R. A. |last3=Greiner |first3=W. |year=2011 |title=Heavy-Particle Radioactivity of Superheavy Nuclei |journal=[[Physical Review Letters]] |volume=107 |issue=6 |page=062503 |arxiv=1106.3271 |bibcode=2011PhRvL.107f2503P |doi=10.1103/PhysRevLett.107.062503 |pmid=21902317}}</ref>。

==合成での問題==
最初の物質として利用可能な核では必要な中性子の合計数にならないため、安定の島の核を作るのは非常に難しいことが分かっている。[[アクチニド]]ターゲット(<sup>248</sup>Cmなど)と組み合わせた放射性イオンビーム(<sup>44</sup>Sなど)により安定の島の中心により近い中性子過剰な核の生成を可能になることがあるが、このようなビームはそのような実験をするのに必要な強度では使うことができない<ref name=Zagrebaev />。<sup>250</sup>Cmや<sup>254</sup>Esのような重い同位体もターゲットとして使えるため、既知の同位体よりも中性子が1,2個多い同位体を作ることができるが<ref name=Zagrebaev>{{cite conference |last1=Zagrebaev |first1=Valeriy |last2=Karpov |first2=Alexander |last3=Greiner |first3=Walter |date=2013 |title=Future of superheavy element research: Which nuclei could be synthesized within the next few years? |publisher=IOP Science |booktitle=Journal of Physics: Conference Series |volume=420 |pages=1–15 |url=http://iopscience.iop.org/1742-6596/420/1/012001/pdf/1742-6596_420_1_012001.pdf |accessdate=20 August 2013}}</ref>、ターゲットを作るためにこれらの希少同位体を数ミリグラム作成することは難しい<ref name=Roberto>{{cite web |url=http://cyclotron.tamu.edu/she2015/assets/pdfs/presentations/Roberto_SHE_2015_TAMU.pdf |title=Actinide Targets for Super-Heavy Element Research |last=Roberto |first=JB |date=2015 |website=cyclotron.tamu.edu |publisher=Texas A & M University |access-date=30 October 2018}}</ref>。また、最も中性子の多い既知の同位体、すなわち''pxn''や''αxn'' （それぞれ陽子または[[アルファ粒子]]の放出によりいくつかの中性子ができる）チャネルを占める同じ[[カルシウム48|<sup>48</sup>Ca]]誘導融合蒸発反応における代わりの反応チャネルを調べることも可能と考えられる。これらにより元素111-117の中性子の多い同位体の合成ができる可能性がある<ref name=pxn />。予測されている[[反応断面積|断面積]]は''xn''チャネルのものよりも小さい（1-900 [[バーン (単位)|fb]]のオーダー）が、それでもこれらの反応で他の方法では到達できない超重元素の同位体を生成することが可能であるかもしれない<ref name=pxn>{{cite journal|last=Hong|first=J.|last2=Adamian|first2=G.G.|last3=Antonenko|first3=N.V. |date=2017|title=Ways to produce new superheavy isotopes with Z = 111–117 in charged particle evaporation channels|journal=Physics Letters B|volume=764|pages=42–48|doi=10.1016/j.physletb.2016.11.002|bibcode=2017PhLB..764...42H}}</ref><ref name=xsection>{{cite arxiv|last=Siwek-Wilczyńska|first=K.|last2=Cap|first2=T.|last3=Kowal|first3=P.|date=2018|title=How to produce new superheavy nuclei?|eprint=1812.09522|class=nucl-th}}</ref>。これらの重い同位体のいくつかは比較的長い半減期のアルファ崩壊に加え[[電子捕獲]]を受け、安定の島の中心近くにあると予測される<sup>291</sup>Cnのような原子核に崩壊する。しかし依然としてベータ安定線近くの超重核の特性は未解明であるため、この話はほとんど仮説状態である<ref name=Zagrebaev />。

アクチニド核(<sup>238</sup>Uや<sup>248</sup>Cm)の低エネルギー衝突での多核子移行反応において<sup>298</sup>Flのような安定の島の同位体を生成することも可能でありうる。もし''Z'' = 114付近の殻効果が十分強い場合、ノーベリウムやシーボーギウムのような軽い元素は高い収率を持つと予測されているが<ref name=Zagrebaev /><ref name=ZG>{{cite journal |last1=Zagrebaev |first1=V. |last2=Greiner |first2=W. |year=2008 |title=Synthesis of superheavy nuclei: A search for new production reactions |journal=[[Physical Review C]] |volume=78 |issue=3 |pages=034610 |arxiv=0807.2537 |bibcode=2008PhRvC..78c4610Z |doi=10.1103/PhysRevC.78.034610}}</ref>、この逆準核分裂（生成物の質量平衡から離れるシフトを伴う部分融合と続いて起こる核分裂）のメカニズム<ref name=TDHF>{{cite arxiv |last=Sekizawa |first=K. |date=2019 |title=TDHF Theory and Its Extensions for the Multinucleon Transfer Reaction: a Mini Review <!--|doi=10.3389/fphy.2019.00020 -->|arxiv=1902.01616}}<!--not yet published a journal, update template and information once it is published--></ref>により、安定の島への方針が手に入る可能性がある。<sup>238</sup>U + <sup>238</sup>Uおよび<sup>238</sup>U + <sup>248</sup>Cmの予備調査はメンデレビウムより重い元素を生産するのに失敗した。ただし後者の反応における収率の増加は（入手可能であれば）<sup>254</sup>Esのようにさらに重いターゲットの使用が超重元素の作成を可能にするかもしれないことを示唆している<ref name=Schadel>{{cite journal |last1=Schädel |first1=M. |title=Prospects of heavy and superheavy element production via inelastic nucleus-nucleus collisions – from 238U + 238U to 18O + 254Es |journal=EPJ Web of Conferences |date=2016 |volume=131 |pages=04001–1—04001–9 |doi=10.1051/epjconf/201613104001 |url=https://inspirehep.net/record/1502716/files/epjconf-NS160-04001.pdf}}</ref>。後の<sup>238</sup>U + <sup>232</sup>Thの研究により、104 < ''Z'' < 116の新たな中性子過剰の超重元素の同位体に起因するであろう未知のアルファ崩壊がいくつか発見されたが、生成物の原子番号を明確に決定するにはさらなる研究が必要である。この結果は殻効果が断面積に大きな影響を与え、安定の島は移行反応を用いた将来的な実験により達成されるかもしれないことを強く示唆する<ref name=Wuenschel>{{cite journal |last1=Wuenschel |first1=S. |last2=Hagel |first2=K. |last3=Barbui |first3=M/ |last4=Gauthier |first4=J. |last5=Cao |first5=X.G. |last6=Wada |first6=R. |last7=Kim |first7=E.J. |last8=Majka |first8=Z. |last9=Planeta |first9=R. |last10=Sosin |first10=Z. |last11=Wieloch |first11=A. |last12=Zelga |first12=K. |last13=Kowalski |first13=S. |last14=Schmidt |first14=K. |last15=Ma |first15=C. |last16=Zhang |first16=G. |last17=Natowitz |first17=J.B. |title=An experimental survey of the production of alpha decaying heavy elements in the reactions of <sup>238</sup>U + <sup>232</sup>Th at 7.5-6.1 MeV/nucleon |journal=Physical Review C |date=2018 |volume=97 |issue=6 |pages=064602–1—064602–12 |doi=10.1103/PhysRevC.97.064602 |arxiv=1802.03091}}</ref>。

==他の安定の島==
''Z'' = 114, ''N'' = 184付近の主な安定の島を超える閉殻は、さらなる安定の島を生じさせる可能性がある。より重いダブルマジック核の周りに2つの重要な島が存在するかもしれないと考えられている。1つ目は<sup>354</sup>126（中性子228個）付近であり2つ目は<sup>472</sup>164もしくは<sup>482</sup>164（それぞれ中性子308, 318個）付近である<ref name=quest /><ref name=SHlimit /><ref name=greinernuclei>{{cite journal|last=Greiner|first=W.|date=2013|title=Nuclei: superheavy-superneutronic-strange-and of antimatter|url=http://inspirehep.net/record/1221632/files/jpconf13_413_012002.pdf|journal=Journal of Physics: Conference Series|volume=413|issue=1|pages=012002|doi=10.1088/1742-6596/413/1/012002|bibcode=2013JPhCS.413a2002G}}</ref>。これらの同位体は自発核分裂に特別耐性があり、アルファ崩壊半減期が年単位で測定可能であるため、[[フレロビウム]]近くの元素と同程度の安定性を有する<ref name=quest />。このような概念は2008年の[[アメリカ化学会]]第235回全国大会で[[ユーリイ・オガネシアン]]により提案された<ref>{{cite journal |last1=Grumann |first1=J. |last2=Mosel |first2=U. |last3=Fink |first3=B. |last4=Greiner |first4=W. |year=1969 |title=Investigation of the stability of superheavy nuclei around ''Z'' = 114 and ''Z'' = 164 |journal=[[Zeitschrift für Physik]] |volume=228 |issue=5 |pages=371–386 |bibcode=1969ZPhy..228..371G |doi=10.1007/BF01406719}}</ref>。しかし、そのような重い核の陽子間の十分大きい電磁反発力により安定性が減少し、おそらく未結合共鳴として一時的にしか存在できないであろう。このことは、中間の同位体、そしておそらく「不安定の海」の中の元素は急速に核分裂を起こし本質的に存在しないという理由でこれらの島を主な[[核図表]]から孤立させるという付加的な結果をもたらすかもしれない<ref name=greinernuclei />。これらの元素は既知の元素よりもはるかに重いため、それらの合成には新しくより強力な粒子加速器が必要になると考えられている<ref>{{cite web|url=http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-04/acs-nse031108.php |title=Nuclear scientists eye future landfall on a second 'island of stability' |publisher=Eurekalert.org |date=2008-04-06 |accessdate=2014-05-02}}</ref>。


== 関連項目 ==
== 関連項目 ==
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*[[核種の一覧]]
*[[核種の一覧]]


==注釈==
{{Physics-stub}}
{{notelist}}
==脚注==
{{Reflist|colwidth=30em}}

== 外部リンク ==
* [http://www.physorg.com/news/2010-10-isotopes-superheavy-elements.html Six new isotopes of the superheavy elements discovered] (Oct&nbsp;26 2010, Physorg news. Inc chart of heavy nuclides)
* [http://physics.aps.org/articles/v3/31 Exploring the island of superheavy elements] (April 2010, re decay of 117; with chart)
* [https://www.newscientist.com/article/mg19926661.200-hunting-the-biggest-atoms-in-the-universe.html?full=true Hunting the biggest atoms in the universe] (July&nbsp;23, 2008; claimed finding natural atoms of 122&nbsp;protons and 170&nbsp;neutrons)
* [http://arxivblog.com/?p=350 The hunt for superheavy elements] (April&nbsp;7, 2008; prediction of seaborgium-290 half-life of 10<sup>8</sup>&nbsp;years.)
* [http://www.nature.com/nature/journal/v442/n7105/fig_tab/442876a_F1.html Here be stability] (Nature Aug 2006 with JINR diagram of heavy nuclides and predicted IoS)
* [http://physicsweb.org/articles/world/17/7/7 Superheavy elements] (Jul 2004 Yuri Oganessian of JINR )
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2019年3月23日 (土) 03:49時点における版

陽子の数（縦軸）と中性子の数（横軸）で分類された核種の半減期の測定値（四角で囲った部分）と予測値（それ以外の部分）。丸で囲った部分が安定の島があると予想される場所である[1]。
原子核物理学


放射性崩壊
核分裂反応
原子核融合

安定の島（あんていのしま、Island of stability）は、原子核物理学において魔法数の陽子と中性子を含む超重核種では、ウランよりも重い元素における安定性低下の傾向が一時的に逆転するという予測のこと。安定の島の正確な位置については様々な予測がされてきたが、一般的には中性子数N = 184で予測された閉殻に近づいていくコペルニシウムやフレロビウム同位体(291Cn, 293Cn, 298Flなど)付近に中心があると考えられている[2]。閉殻が核分裂に対するさらなる安定性を与え、アルファ崩壊に対する長い半減期をもたらすと考えられている。これらの効果はZ = 114およびN = 184付近で最大になると予想されるが、安定性が増した領域は隣接元素をいくつか含むとも予想され、より重いダブルマジック核の周りにさらなる安定の島がある可能性もある。島の元素の安定性の推定値は普通数分から数日の半減期である。しかし、数百万年の半減期を予測している推定値もある[3]。

魔法数を予測する核殻模型は1960年代から存在していたが、長寿命の超重核種の存在ははっきりと証明されてはいない。他の超重元素と同様、安定の島の核種は自然界で見つかったことはない。よってそれらは核反応において人工的に作り出す必要がある。そのような反応を実行する方法は見つかっておらず、島の中心近くの核を埋めるには新たなタイプの反応が必要になると思われる。しかしながら近年オガネソンまでの超重元素の合成が成功したことは、未知の同位体でも続く可能性のある110–114の元素の周りにおけるわずかな安定化効果を示し、安定の島の存在を支持する[2][4]。

歴史

概念の由来

ジョン・ホイーラーは1955年に103以上の原子番号を持つ超重元素が存在する可能性を提案した[5]。当時知られていた元素以上に安定性が増す領域は、核の殻の概念が最初に解明された1957年に提案された[6]。殻模型は 原子核が原子の中のはるかに大きい電子核構造に似た方法で「殻」の中に構築されている。すなわち、核の殻は通常互いに接近している量子エネルギー準位のグループであるが、時々中性子と陽子の数が核内の所与の殻のエネルギー準位を完全に満たすとき、次の殻を満たし始めるのに必要なエネルギーは非常に大きいということである。これらのいわゆる殻ギャップでは、核子あたりの結合エネルギーは極大値に達する。すなわち、そのような核は閉殻構造を持たないものよりも安定となるだろう[7]。この模型の最初の概念は、既知の閉殻のパターンから安定の島という概念が現れる超重元素への拡張をもたらした。中性子の1つの可能な魔法数は184であり、それと合う可能な陽子数は114, 120, 122, 124, 126である[8][9][10]。最も重い安定核208Pbの次のダブルマジック核（閉じた陽子と中性子の核を持つ）は310126であると提案されており、これは陽子と中性子ともに魔法数であり、よってこの核は非常に長い半減期を持つと考えられていた[6]。後の計算で298Fl (Z = 114) が次のダブルマジック核となり、310126はマイクロ秒以下のα崩壊を受けることが示された[6]。

1965年、「安定の島」の可能性がグレン・シーボーグにより最初に提案され、後にローレンス・バークレー国立研究所の研究者が興味を持つようになった[11]。同位体298Fl (Z = 114, N = 184) は、可能性のあるダブルマジック数により特に興味深い物であった[12]。この「魔法の島」への関心は、いくつかの計算により安定の島の超重原子は数十億年の半減期がある可能性があると示されたことでその後数年で大きくなっていった[12][13]。安定の島の元素はその高い原子質量にも関わらず自発核分裂に対して特に安定と予測されていた[6][14]。もし長寿命の超重元素が存在すると、中性子源として粒子加速器におよび非常に低い臨界質量の結果として核兵器に使われるだろうと考えられた[15]。これらの推測により、1960年代70年代には多くの研究者が自然界でおよび粒子加速器による元素合成を用いて超重元素を探究した[5]。

実験的結果

超重元素の最も安定な同位体 (Z ≥ 104)[16][17][18]
元素 原子番号 最も安定な同位体 半減期
ラザホージウム 104 267Rf 2.5時間
ドブニウム 105 268Db 1.2日
シーボーギウム 106 269Sg 14分
ボーリウム 107 270Bh[注釈 1] 1分
ハッシウム 108 270Hs 10秒
マイトネリウム 109 278Mt[注釈 2][注釈 3] 7.6秒
ダームスタチウム 110 281Ds[注釈 2] 9.6秒
レントゲニウム 111 282Rg[注釈 2][注釈 4] 1.7分
コペルニシウム 112 285Cn[注釈 2] 29秒
ニホニウム 113 286Nh[注釈 2] 9.5秒
フレロビウム 114 289Fl[注釈 2][注釈 5] 1.9秒
モスコビウム 115 290Mc[注釈 2] 650ミリ秒
リバモリウム 116 293Lv[注釈 2] 57ミリ秒
テネシン 117 294Ts[注釈 2] 51ミリ秒
オガネソン 118 294Og[注釈 2][注釈 6] 690マイクロ秒
Zが偶数の超重元素で観測された崩壊系列をまとめたもの[19]。特に110, 112, 114では過剰な中性子が多い同位体の安定性が増すという一般的な傾向がある。このことは安定の島の中心はより重い同位体の中にあることを強く示唆している。
→「拡張周期表」も参照

1970年代に長寿命の超重核の探索が数多く行われた。110から127の原子番号の様々な元素を合成することを目的とした実験が世界中の研究所で行われたものの成功したものはなかった[12][17]。このことはこのとき行われた実験は断面積が小さい場合は感度が不十分もしくは融合蒸発反応を介して到達可能な核はどれも検出するには寿命が短すぎることを示している。より最近の実験ではこれが事実であろうことが明らかにされている[20]。自然界での同様の探索も失敗し、鉱石1モル当たりの超重元素の存在量の上限は10−14 と 10−11 の間に設定された[5]。これらの失敗にも関わらず[6]、軽イオン衝撃と常温核融合反応により新たな超重元素が数年ごとに様々な研究室で発見されていた。最初の超アクチノイド元素であるラザホージウムは1969年に発見され、1996年にはコペルニシウムまで到達した。これらの原子核は半減期が非常に短い（秒のオーダー）にも関わらず[5]、ラザホージウムより重い元素が存在することは閉殻により引き起こされると考えられる安定化効果を示している。そのような効果を考慮しないモデルでは、これらの元素は急速な自発核分裂により存在できないことになる[21]。 魔法数である114の陽子を持つと予想されたフレロビウムは1998年にユーリイ・オガネシアンらによりロシアのドゥブナ合同原子核研究所で初めて合成された。元素114の単一原子が検出され、寿命は30.4秒、その崩壊生成物は数分間の半減期を持っており測定することができた[22]。このことは安定の島の特徴である崩壊系列の「教科書的例」とされ、この領域に安定の島が存在することの強力な証拠を提供した[5]。その後の20年間でさらに成功した実験によりオガネソンまでの全ての元素を発見するに至った。このオガネソンの崩壊特性はより安定の島の存在を支持した[4][23]。既知の原子核は今までどおり最大の安定性が期待されるN = 184以下のいくつかの中性子になるが（最も中性子が多い原子核293Lv と 294TsでもN = 177にしか達しない）、島の中心の位置はまだ分からないままであり[3][4]、N = 184に近いほど安定性が増す傾向が示されている。例えば277Cnよりも8個中性子が多い同位体285Cnは半減期がおよそ5桁長い。このことは未知のより重い同位体でも続くと予想される[24]。

変形核

1990年代初めからの研究により、超重元素が完全に球形である核を持たないことが示された[25]。殻は球形の場合は安定していると見なされる。核の形状が変わると、殻の中の中性子と陽子の位置が変わる。近年の研究により、大きな核が変形し魔法数を球形のものと比べて変化させることが示されている。現在の理論的調査によりZ = 106–108 や N ≈ 160–164の領域では、変形した原子核に対する殻の効果の結果として原子核が核分裂に対してより強い抵抗力があり、よってそのような超重核はα崩壊を受けるだけであるだろうことが示されている[26][27][28]。ハッシウム-270は現在ダブルマジック変形核であり、変形魔法数Z = 108, N = 162と考えられている。半減期は10秒である[29][30]。N = 162近くで隣り合うハッシウムとシーボーギウム同位体の崩壊特性の決定は、変形核における相対的安定の領域についてのさらなる強力な証拠を提供してくれる[14]。

予測される崩壊特性

A 3D graph of stability of elements vs. number of protons Z and neutrons N, showing a "mountain chain" running diagonally through the graph from the low to high numbers, as well as an "island of stability" at high N and Z.
中性子数N = 178, Z = 112近くの理論的な安定の島の3Dレンダリング

「島の上の」核種は観測されていないため、安定の島にある核の半減期は未知である。多くの物理学者はこれらの核の半減期は比較的短く、数分から数日のオーダーであると考えている[3]。その半減期は100年のオーダーと長く[2][20]、109年にもなる可能性がある[13]ことを示す理論計算もある。

N = 184での閉殻により、アルファ崩壊と自発核分裂の部分半減期がより長くなると予測されている[2]。閉殻は298Fl付近でのより高い分裂障壁をもたらし、核分裂を強く妨げ、これによりおそらくは閉殻に影響を受けない核の分裂半減期よりも半減期が30桁も大きくなると考えられる[6][31]。例えば、ダブルマジック核298Flは1019年オーダーの自発核分裂半減期を持つ可能性がある[6]。これは安定化効果の限界を決めていると考えられている既知の中性子欠如同位体284Fl(N = 170)の半減期2.5msよりもずっと長い[32]。未発見の同位体の中にはさらに短い半減期で核分裂を起こし、安定の島を超える超重核の存在と観測可能性を制限すると予測されるものがある（すなわち Z > 120 および N > 184[21]。これらの核はマイクロ秒以下でアルファ崩壊もしくは自発核分裂を起こす可能性がある）[26][27][28]。島の中心部においては、アルファ崩壊と自発核分裂の間に競合があるかもしれないが、正確な比率はモデルに強く依存する[2]。100 ≤ Z ≤ 130の1700個の原子核のアルファ崩壊半減期が実験的・理論的アルファ崩壊Q値を用いて量子トンネルモデルで計算されており、いくつかの重い同位体については観測された半減期と一致が見られている[注釈 7]。ベータ崩壊は島の中心と予測される場所付近、特に元素111-115の同位体で他の崩壊モードと競合すると予測されているため、最も半減期の長い同位体も同様にベータ安定線上にあると予測されている[2]。全ての崩壊モードを考慮すると、様々なモデルにより島の中心（すなわち最長寿命の核種）の298Flからより低い原子番号へのシフトが示されている[36]。この中には291Cnと293Cnの100年半減期[20]、296Cnの1000年半減期[20]、294Dsの300年半減期[31]（後者2つはN = 184の閉殻）が含まれる。

これらの半減期は超重元素としては比較的長くなるが、地球上に原始的に存在するには短すぎる。原始アクニチド(232Th, 235U, 238U)と自発および誘導核分裂に対する安定の島の間の中間の核の不安定性は、r過程での核合成におけるそれらの生成を阻害する可能性があるが[37]、宇宙線内で鉛に対して10−12の存在量で起こる可能性がある[24]。

最も重い超重元素の考えられる強い崩壊モードは、Dorin N. Poenaru, R.A. Gherghescu, ワルター・グライナーによりクラスタ崩壊であることが示された。それにもかかわらず、これはZ = 122より大きいものの影響が大きく、島の中心が予測よりも高い原子番号でない限り島の中心近くの同位体の崩壊への影響を小さくすると予測されている[38]。

合成での問題

最初の物質として利用可能な核では必要な中性子の合計数にならないため、安定の島の核を作るのは非常に難しいことが分かっている。アクチニドターゲット(248Cmなど)と組み合わせた放射性イオンビーム(44Sなど)により安定の島の中心により近い中性子過剰な核の生成を可能になることがあるが、このようなビームはそのような実験をするのに必要な強度では使うことができない[24]。250Cmや254Esのような重い同位体もターゲットとして使えるため、既知の同位体よりも中性子が1,2個多い同位体を作ることができるが[24]、ターゲットを作るためにこれらの希少同位体を数ミリグラム作成することは難しい[39]。また、最も中性子の多い既知の同位体、すなわちpxnやαxn （それぞれ陽子またはアルファ粒子の放出によりいくつかの中性子ができる）チャネルを占める同じ48Ca誘導融合蒸発反応における代わりの反応チャネルを調べることも可能と考えられる。これらにより元素111-117の中性子の多い同位体の合成ができる可能性がある[40]。予測されている断面積はxnチャネルのものよりも小さい（1-900 fbのオーダー）が、それでもこれらの反応で他の方法では到達できない超重元素の同位体を生成することが可能であるかもしれない[40][41]。これらの重い同位体のいくつかは比較的長い半減期のアルファ崩壊に加え電子捕獲を受け、安定の島の中心近くにあると予測される291Cnのような原子核に崩壊する。しかし依然としてベータ安定線近くの超重核の特性は未解明であるため、この話はほとんど仮説状態である[24]。

アクチニド核(238Uや248Cm)の低エネルギー衝突での多核子移行反応において298Flのような安定の島の同位体を生成することも可能でありうる。もしZ = 114付近の殻効果が十分強い場合、ノーベリウムやシーボーギウムのような軽い元素は高い収率を持つと予測されているが[24][42]、この逆準核分裂（生成物の質量平衡から離れるシフトを伴う部分融合と続いて起こる核分裂）のメカニズム[43]により、安定の島への方針が手に入る可能性がある。238U + 238Uおよび238U + 248Cmの予備調査はメンデレビウムより重い元素を生産するのに失敗した。ただし後者の反応における収率の増加は（入手可能であれば）254Esのようにさらに重いターゲットの使用が超重元素の作成を可能にするかもしれないことを示唆している[44]。後の238U + 232Thの研究により、104 < Z < 116の新たな中性子過剰の超重元素の同位体に起因するであろう未知のアルファ崩壊がいくつか発見されたが、生成物の原子番号を明確に決定するにはさらなる研究が必要である。この結果は殻効果が断面積に大きな影響を与え、安定の島は移行反応を用いた将来的な実験により達成されるかもしれないことを強く示唆する[45]。

他の安定の島

Z = 114, N = 184付近の主な安定の島を超える閉殻は、さらなる安定の島を生じさせる可能性がある。より重いダブルマジック核の周りに2つの重要な島が存在するかもしれないと考えられている。1つ目は354126（中性子228個）付近であり2つ目は472164もしくは482164（それぞれ中性子308, 318個）付近である[6][31][46]。これらの同位体は自発核分裂に特別耐性があり、アルファ崩壊半減期が年単位で測定可能であるため、フレロビウム近くの元素と同程度の安定性を有する[6]。このような概念は2008年のアメリカ化学会第235回全国大会でユーリイ・オガネシアンにより提案された[47]。しかし、そのような重い核の陽子間の十分大きい電磁反発力により安定性が減少し、おそらく未結合共鳴として一時的にしか存在できないであろう。このことは、中間の同位体、そしておそらく「不安定の海」の中の元素は急速に核分裂を起こし本質的に存在しないという理由でこれらの島を主な核図表から孤立させるという付加的な結果をもたらすかもしれない[46]。これらの元素は既知の元素よりもはるかに重いため、それらの合成には新しくより強力な粒子加速器が必要になると考えられている[48]。

関連項目

注釈

  1. ^ 未確認の278Bhは11.5分という長い半減期を持つ可能性がある
  2. ^ a b c d e f g h i j 109～118の元素については、最も寿命が長い同位体はこれまで発見されている中で最も重いものである。これによりさらに重い同位体の中により寿命の長い未発見のものがあるように思われる。
  3. ^ 未確認の282Mtは1.1分という長い半減期を持つ可能性がある
  4. ^ 未確認の286Rgは10.7分という長い半減期を持つ可能性がある。
  5. ^ 未確認の290Flは19秒という長い半減期を持つ可能性がある。
  6. ^ 未確認の295Ogは181ミリ秒という長い半減期を持つ可能性がある。
  7. ^ [26][27][28][33][34][35]

脚注

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外部リンク

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