原子番号１１３番の新元素「ニホニウム」の発見には、１０年という長い道のりがあった

名古屋市科学館の理工館６階「最先端科学とのであい」の「話題の科学」コーナーでは、「日本発でアジア初」となる元素記号の命名権を獲得した、原子番号１１３番の元素「ニホニウム」の話題を提供しています。

原子番号１１３番の元素「ニホニウム」を発見したのは、理化学研究所の仁科加速器研究センターの超重元素研究グループです。超重元素研究グループのグループディレクターは、九州大学大学院理学研究院教授の森田浩介さんです。

２０１７年３月に九州大学で、「１１３番元素「ニホニウム」発見」と題して森田浩介教授の講演会があり、その記録を見る機会がありましたのでレポートします。

「日本原子物理学の父」と呼ばれた仁科芳雄博士

理化学研究所の仁科加速器研究センターの「仁科」は、仁科芳雄博士（１８９０～１９５１）を称えて命名されました。仁科先生はサイクロトロン（円形加速器）を世界に先駆けて建設し、日本で初めて実験を始めた方で「日本原子物理学の父」と呼ばれています。

１９２０年に理化学研究所に入所した仁科先生は、１９２３年にコペンハーゲン大学に留学し、ボーア博士（１９２２年に「原子構造とその放射に関する研究」でノーベル物理学賞受賞）の下で量子力学を学んで帰国しました。１９３１年に仁科先生が京都大学で行った量子力学の集中講義には、戦後にノーベル賞を受賞する湯川秀樹先生や朝永振一郎先生も聴講していたそうです。仁科先生は教育者としての顔も持ち、弟子たちからは「親方」と呼ばれて慕われていたようです。

アジア初、日本発の元素「ニホニウム」発見

２０１６年６月８日、新元素発見を認定するIUPAC(国際純正応用科学連合）は、理化学研究所グループが発見し命名権を得た１１３番元素について「命名を”ニホニウム”、元素記号を”Nh”とする」と発表しました。この案は５か月後の１１月３０日に正式決定され、元素周期表にアジア初、日本発の元素が登場することになりました。

元素周期表を見ると、ほとんどの元素は自然界で発見されていますが、人工合成により発見された元素もあります。理化学研究所が合成した１１３番元素は、第７周期１３族です。元素周期表は人類の知的財産で、そこに足跡を残せたことは誇りであると感じています。

天然の元素とは

宇宙は水素とヘリウムで９８％を占め、その他の元素は２％しかありません。

地球の地殻はほとんどが土で、酸素とケイ素が７５％を占め、残りはアルミニウム、鉄、カルシウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、水素と微量元素です。

人体は、酸素と水素と炭素で９３％を占め、残りは微量元素です。

人類は古代から、石炭、鉄、金、硫黄、自然銅、自然銀、自然水銀、自然鉛、自然白金などに工夫をして文明を築いてきました。

中世のアラブやヨーロッパでは、錬金術師が様々な化学操作で元素を発見しました。尿を煮詰めてリンを発見したり、ヒ素やビスマスも発見しています。

理化学研究所ではビスマスに亜鉛をぶつけて１１３番元素を作ったので、錬金術師の末裔といえるのかもしれません。

人工合成の元素とは

元素は原子番号で表示されます。原子番号は原子核の中の陽子の数と一致します。新しい元素を人工合成するには、今までにない陽子の数を持った原子核を作ればよいのです。こうして、１９４０年頃から元素の人工合成が始まりました。

なぜ、自然界には９２番元素（ウラン）までしか存在しないのでしょうか。原子核は陽子と中性子から成りますが、陽子はプラスの電気を持つので、原子番号が大きくなるほど、陽子同士の反発が強まります。陽子同士の反発力が強まると、不安定になります。９３番以降の元素（超ウラン元素）になると、一つの元素として存在するより、二つ以上に分裂した方がエネルギー的に安定するので、自然界に存在しないのです。超ウラン元素は人工合成しても、すぐに核分裂します。理化学研究所で生成した１１３番元素も生成後すぐに崩壊しました。

９３番から１０６番の超ウラン元素はアメリカが作りました。１０７番～１１２番はドイツが作りました。理化学研究所が新元素の合成に本格的に取り組み始めた時には１１２番の元素まで作られていたので１１３番を目指すことになりました。

１１３番元素の合成

理化学研究所では、原子番号３０番の亜鉛と８３番のビスマスを核融合反応されることで１１３番を合成しました。陽子数は亜鉛（３０）＋ビスマス（８３）＝１１３個となります。原子核はプラスの電気を帯びているので、高速で加速しないと核融合しません。そのため、大型加速器などの実験装置が必要です。それも世界一の装置が必要です。それというのも、新元素発見を目指す世界規模の競争において、勝負を決するのは装置の性能だからです。理化学研究所では独自の実験装置を開発しています。

「ECRイオン源」で大量の亜鉛をイオン化します。この亜鉛イオンを「線形加速器RILAC」（全長４０ｍ）で光速の１０％まで加速し、標的のビスマスにぶつけ、核融合反応を起こします。この時、１秒間に２．４兆個の生成物を生じますが、目標とする１１３番元素は２００日に１個しかできません。亜鉛とビスマスの原子核はプラスの電気を帯びているので、反発力でなかなかぶつからない上に、仮にぶつかっても核融合する確率が非常に小さいからです。

数多くの生成物から１１３番元素だけを選別するのは、さらに困難な作業になります。それを行うのが「分離器GARIS」です。この装置は理化学研究所で２５年前に制作されたものですが、世界一の性能を誇っています。

こうして選別した１１３番元素を「半導体検出器」に導き、その崩壊過程を調べることで、一瞬存在して崩壊していった元素が１１３番元素だったことを確認するのです。

理化学研究所では、この実験を２００３年９月５日に始め、２０１２年１２月１日に終えました。この間、この実験で１１３番元素を合成できたのは、４００兆回衝突させたうち、わずか３回でした。

１１３番元素は、３回発見されるまでに８年の歳月がかかりましたが、国際委員会に正式に承認（２０１６年１２月）されるまで、さらに４年の歳月がかかりました。

次なる目標

現在、１１８番元素まで合成されているので、理化学研究所での次の目標は、１１９番元素と１２０番元素の発見を目指しているそうです。これらは元素周期表の第８周期に入るので、合成確率はさらに下がるようです。１１３番元素の発見により、文部科学省から４０億円の予算がおり、実験装置の改造をすることができました。この予算で核融合の材料となる、高価な稀少元素も購入できるようです。

困難を伴うかもしれませんが、新たな新元素の発見に期待できそうですね。