周期表の最後に達するのはいつですか？ | 科学| スミソニアン - 記事、科学

化学教師は最近、教室の装飾を更新する必要があり、科学者が周期表の4つの新しい要素の発見を確認したと発表しました。まだ名前のない要素113、115、117、118は、有名なチャートの下部にある残りのギャップを埋めました。これは、化学者をほぼ1世紀半にわたって導いてきた物質の構成要素のロードマップです。

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国際純粋応用化学連合（IUPAC）によって承認された公式の確認は、これらの超重元素が非常に不安定で作成が難しいため、長年にわたって行われていました。しかし、科学者たちは彼らが存在したと信じる強い理由を持っていました。これは、これまで周期表が著しく一貫していたためです。新しい列を開始する要素119および120を想起させる努力はすでに進行中です。

しかし、特に物理学の現代の理解が確立されたプレーヤーでさえ異常を明らかにしたので、正確にさらに多くの要素がそこにあるのは化学の最も根強い謎の1つです。

「割れ目は周期表に現れ始めています」とオレゴン州立大学の化学者であるウォルター・ラブランドは言います。

周期表の現代の化身は、原子番号（原子核内の陽子の数）に基づいて行ごとに、また通常はその性格を決定する最も外側の電子の軌道に基づいて列ごとに要素を編成します。リチウムやカリウムなど、他の物質と強く反応する傾向がある軟質金属は、1つのカラムに住んでいます。フッ素やヨウ素などの非金属反応性元素は、別の元素に生息します。

フランスの地質学者Alexandre-ÉmileBéguyerde Chancourtoisは、要素を繰り返しパターンにグループ化できることを初めて認識した人物です。彼は1862年に知られている要素を、重量に基づいて、円柱の周りに巻かれたらせんとして表示しました （ 下の図を参照 ）。この円柱上で互いに垂直に並んでいる要素は、同様の特性を持っていました。

しかし、時の試練に耐えたのは、夢の中で要素のグループ化を見たと主張した熱烈なロシア人、ドミトリ・メンデレーエフによって作成された組織スキームでした。彼の1871年の周期表は完全ではありませんでした。たとえば、存在しない8つの要素を予測しました。ただし、ガリウム（現在はレーザーで使用されている）、ゲルマニウム（現在はトランジスタで使用されている）、その他のますます重くなる元素も正しく予測されていました。

メンデレーエフの周期表は、ヘリウムなどの希ガスの新しいカラムを簡単に受け入れました。これは、19世紀の終わりまで、他の元素と反応しないという傾向のために検出を逃れていました。

現代の周期表は、陽子や電子などの素粒子の挙動を説明するために20世紀に導入された量子物理学とほぼ一致しています。さらに、より重い要素が確認されたため、グループ化はほとんど開催されました。 1981年の発見後に元素107に与えられた名前であるボーリウムは、それを取り囲む他のいわゆる遷移金属と非常によく一致し、「ボーリウムは退屈だ」と宣言した研究者の一人です。

しかし、興味深い時代が待ち受けているかもしれません。

一つの未解決の問題は、ランタンとアクチニウムに関するものであり、それぞれのグループの他のメンバーとの共通性はルテチウムとローレンシウムほどではありません。 IUPACは最近、この問題を調査するタスクフォースを任命しました。元素2のヘリウムでさえも簡単ではありません。最も外側の電子だけではなく、そのすべての電子の配置に基づいて、希ガスの代わりにベリリウムとマグネシウムでヘリウムを配置する周期表の代替バージョンが存在します。

「周期表の最初、中、最後に問題があります」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の化学部の歴史家であるエリック・セリは言います。

メンデレーエフの表の数十年後に発表されたアインシュタインの特殊相対性理論も、システムにいくつかの欠陥をもたらしました。相対性理論は、粒子の質量がその速度とともに増加することを示します。これにより、原子の正に帯電したコアを周回する負に帯電した電子が奇妙に振る舞い、元素の特性に影響を与える可能性があります。

金について考えてみましょう。核には79個の陽子が詰まっています。そのため、金の電子は内側に落ちないように、光の半分以上の速度で動き回る必要があります。それはそれらをより大きくし、よりタイトで低エネルギーの軌道に引き込みます。この構成では、電子は青色光を反射する代わりに吸収し、結婚指輪に独特のきらめきを与えます。

悪名高いボンゴ演奏物理学者リチャード・ファインマンは、元素137で周期表の終わりを予測するために相対性理論を呼び出したと言われています。ファインマンにとって、137は「魔法の数字」でした。彼の計算では、137を超える元素の電子は光の速度よりも速く移動する必要があり、したがって原子核への衝突を避けるために相対性理論の規則に違反することが示されました。

より最近の計算は、その制限を覆しました。ファインマンは核を単一の点として扱った。それが粒子のボールになることを可能にすると、要素は約173まで動き続けることができます。その後、すべての地獄が解き放たれます。この制限を超える原子が存在する可能性がありますが、空の空間から電子を呼び出すことができる奇妙な生き物としてのみです。

相対性だけが問題ではありません。正に帯電した陽子は互いに反発するため、核に詰め込むほど安定性が低下する傾向があります。原子番号92のウランは、地球上で自然に発生するのに十分安定した最後の元素です。それを超えるすべての要素には、すぐにバラバラになる核があり、その半減期（材料の半分が崩壊するのにかかる時間）は、数分、数秒、さらには数秒です。

高密度の中性子星の内部のように、より重い不安定な元素が宇宙の他の場所に存在する可能性がありますが、科学者はここでより軽い原子を粉砕してより重い原子を作り、崩壊連鎖をふるうことによってのみそれらを研究できます。

ミシガン州立大学の核物理学者であるウィトール・ナザレヴィチは、「存在する可能性のある最も重い元素が何であるかを本当に知りません」と述べています。

理論では、私たちの研究室で作った原子核は、適切な原子を形成するのに十分な長さでは生きられないポイントがあると予測しています。 10兆分の1秒以内にバラバラになる放射性核は、周囲に電子を集めて新しい元素を作る時間がありません。

それでも、多くの科学者は、超重元素が比較的長寿命の核を持つ安定した島がさらに先に存在することを期待しています。特定の超重原子に大量の余分な中性子を積み込むと、陽子に富んだ原子核の変形を防ぐことで安定性を付与できます。例えば、要素114は、184で魔法的に安定した数の中性子を持つと予想されます。要素120と126は、より耐久性がある可能性があると予測されています。

しかし、超重量安定性のいくつかの主張はすでに崩壊しています。 1960年代後半、化学者のエドワードアンダースは、メキシコの土壌に落ちたmet石中のキセノンが、自然界で発生するのに十分な安定性を有する112から119の間のミステリー要素の破壊から来たと提案しました。何年もかけて検索範囲を絞り込んだ後、彼は1980年代に最終的に仮説を撤回しました。

重元素の潜在的な安定性を予測することは簡単ではありません。膨大な計算能力を必要とする計算は、多くの既知のプレーヤーでは行われていません。そして、たとえそうであったとしても、これは核物理学にとって非常に新しい領域であり、入力のわずかな変化でさえ、期待される結果に大きな影響を与える可能性があります。

確かなことは、新しい元素を1つ1つ作成するのが難しくなることです。これは、短命の原子を検出するのが難しくなるだけでなく、超重元素を作成するには放射性の原子ビームが必要になる場合があるためです。周期表に終わりがあるかどうかにかかわらず、新しいものを作成する能力に終わりがあるかもしれません。

「私たちは周期表の終わりから遠く離れていると思います」とScerri氏は言います。「現在、制限要因は人間の創意工夫のようです。」

編集者注： Witold Nazarewiczの所属は修正されました。

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