人工元素と加速器

Question

ヤフーニュースの“史上最重量の元素「オガネソン」と、理論上の上限値「ウンセプトトリウム」”を読みました。そこには、
“1922年にボーアは、原子番号118番の元素が、周期表で7つ目の貴ガスだろうと記しています。
ただしこの時代には、元素を人工的に合成する方法は、知られていませんでした。

1965年には、ドイツの核化学者のグローセが、118番の元素の性質に関して、予測する論文を発表しています。
だいたいこの時期から、次々と人工元素が合成されていき、2002年に初めてオガネソンが合成されました。”
と書かれていました。

まず一つ目の質問ですが、1922年のころは原子番号92のウランまでしか元素はないはずですが、その時、原子番号93から118までの元素が存在可能であることが予想できていたのですか？また、93から118までの元素の性質も予想できていたのですか？
二つ目の質問ですが、1965年から人工的に元素が作られていったとありますが、1965年の時点で、筑波大学にあるような巨大な加速器が、どこかの国で造られたのですか？

finalbento · Accepted Answer

一つ目の質問の前半ですが、そもそも「元素は原子番号92番までしか存在しない」と考えられた事はないはずです。92番までしか存在しないと言うのはあくまでも「天然には存在しない(まだ見つかっていない)」と言うだけであって、93番以降の元素の存在そのものを否定する理論などと言ったものは聞いた事がありません。なので「存在しない理由がないなら存在可能」と考えるのは科学の常識だと思います。

そして後半の「93番から118番の元素の性質も予想できていたのか」についてですが、少なくとも118番が希ガスであろうと言う事なら中学生でも予想できます。92番までの周期表で希ガスがどの位置に来るかは分かっていますし、ランタノイドとされる元素の個数も分かっているわけですから、アクチノイド(と現在呼ばれているもの)がランタノイドと同じ個数なら希ガスとなる元素が何番になるかは周期表から簡単に予想できます。

二つ目の質問ですが、初めて人工的に合成された元素である43番のテクネチウムは1936年にサイクロトロンを使って合成されたそうです。なので元素を合成できる程度の加速器なら普通にできていてもおかしくはないでしょう。

finalbento · Answer

メンデレーエフの周期表が手元にないので記憶だけですが「初期の頃の周期表は中性子の数によって狂わされていた」と言った事はなかったはずです。先にも書いたようにメンデレーエフは周期表を作るに当たって単純に原子量の順番に並べたのではなくて周期律を示すように一部の元素については並べる順番を変えています。なので(記憶に間違いなければ)メンデレーエフが提唱した周期表は基本的には今日のものと全く同じです。違いと言えば当時未発見だった元素の欄を空欄にした事と、当時は元素と考えられていたジジミウムを元素として扱っていた事ぐらいだったと思います。

finalbento · Answer

ちなみに周期表は元々は(その元素の)陽子の数ではなくて原子量(≒質量)の順番に並べる事によって見出されました。ただし周期律を表すには場合によっては軽い元素の方を重い元素より後に並べる必要がありましたが、とにかく「原子量を基準に並べる」と言う原則だったのは間違いありません。

そして原子番号とは元々は周期表における元素に付与した単なる通し番号に過ぎず、今日考えられているような「原子核における陽電荷の大きさ(＝陽子数)」と言った物理的意味は一切ありませんでした。その後モーズリーの法則の発見等によって原子番号の物理的な意味が明らかになって行くわけです。

finalbento · Answer

補足に書かれた「陽子数が104個ならばアクチノイドの右隣に」ですが、必ずしもそうなるとは限りません。そうならない可能性も一応あり得ます。早い話、周期表では4番ベリリウムの右隣には元素はありません。12番マグネシウムも同様です。

それからお礼コメントにあった「どの列についても縦の列は似ているはず」と言うのは(周期表の成立の過程から言えば)話は逆で、むしろ似ている元素が縦に並ぶように周期表の枠を作っているわけです。なので前述のように「ベリリウムの右隣には元素はない」と言った事も起こり得るわけです。

finalbento · Answer

他の方へのお礼コメントにあった「104から118まではどのような性質なのか、予想できたのですか?」についてですが「予想できた」と言うよりは「周期表を信用して予想した」と言うべきです。

そもそも104番をアクチノイドの右隣に置いたと言う事自体が「性質を予想している」と言う事になります。その枠の上にはチタンやジルコニウムがあるわけですから、104番元素を周期表のその場所に書いたと言う事は「チタンやジルコニウムと似た性質を持つ」と予想した事になります。

Tacosan · Answer

ランタノイドとアクチノイドについて.

周期表をメンデレーエフが提案した当時には「ランタノイド」「アクチノイド」という概念自体がなかったので, 個々の元素をそれなりな位置に放り込んでいた (例えば U なら酸素などと同じ 6族). 後に「元素の化学的性質が電子配置で決まる」ことがわかり, また詳細な電子配置がわかるようになったことで「ランタノイド」「アクチノイド」という分類をするようになった (なお「ランタノイド」なのか「ランタニド」なのか, という問題はある). 電子配置を見れば, ランタノイドとアクチノイドは同数あるはずなんだよね.

あと「周期表をてがかりにした」というのがメンデレーエフの「すごい」ところでもある. メンデレーエフ以前にも同じようなことを考えた人も (1人でなく) いるんだけど, メンデレーエフは単に並べるだけでなくそこから「ここには未知の元素があって, それはこのような性質を持っているはずだ」と予言している. でその予言が的中していたことで, メンデレーエフと周期表がつながるようになったわけだ.

finalbento · Answer

今回のお礼コメントに対して少しだけ。

書かれていたように「ランタノイドとアクチノイドが同じ個数とは限らない」と言う可能性はもちろんあり得る事でした。しかしながら一方で「周期表が示す周期がまだ成り立つならランタノイドとアクチノイドは同じ個数のはず」と言う予想もまた可能ですし、そもそもそちらの方が予想としては自然なものです(「そうなっていない」と考えなければならない理由はないので)。なので周期表を信用して「118番は希ガス」と予想するのは極めて自然です。

Tacosan · Answer

超ウラン元素の性質が予想できたかどうかについては「単純な予想なら可能」といえる. 少なくとも周期表の構造上 118 までは化学的性質はわかるし (そして当ったものもある), いくつかのものについては例えば密度も予測できるはず. もちろん密度を実測できるほどの量が作れるかどうかは疑問だから, 予測できても「だから?」っていわれると困りそう.

2つ目の質問については, 初期の元素合成実験はエネルギーがそれほど必要でないから小規模な施設でもできる. 例えば, Cm の合成では
Pu + α → Cm
という形式だけど, Og では
Cf + Ca → Og
という形で作っているために, エネルギー障壁が高くなり従ってより巨大な施設が必要になる.

yhr2 · Answer

＞1922年のころは原子番号92のウランまでしか元素はないはずですが、その時、原子番号93から118までの元素が存在可能であることが予想できていたのですか？

元素の周期表を見れば
・第6列に原子番号 55～86 の32種（セシウム～ラドン）
がありますから
・第7列に原子番号 87～118 の32種
がありそう（あり得る）ということは予想できたのでしょうね。

おそらく、その頃は
「原子番号 93 以上の元素は、自然界には存在しない」
ということではなく
「原子番号 93 以上の元素は、まだ見つかっていない」
というとらえ方だったのだと思います。

＞また、93から118までの元素の性質も予想できていたのですか？

「元素の周期表」から予想できていたと思います。
↓
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%91%A8%E6%9C%9F%E8%A1%A8

＞1965年から人工的に元素が作られていったとありますが、1965年の時点で、筑波大学にあるような巨大な加速器が、どこかの国で造られたのですか？

加速器は、いろいろなタイプのものが結構古くからる作られています。
たとえば、サイクロトロンは1931年に考案されて1934年に特許が取得されており、コッククロフト・ウォルトン型加速器は1932年に作られています。
↓
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%AF%E3%83%AD%E3%83%88%E3%83%AD%E3%83%B3
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B3%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%AF%E3%83%AD%E3%83%95%E3%83%88%E3%83%BB%E3%82%A6%E3%82%A9%E3%83%AB%E3%83%88%E3%83%B3%E5%9B%9E%E8%B7%AF

1940年代の原爆製造マンハッタン計画では、長崎型のプルトニウム原爆が製造されました。
プルトニウムは「原子番号 94」の人工元素で、自然界のウラン238が中性子を吸収して生成することが知られていました。

人工元素と加速器

一つ目の質問の前半ですが、そもそも「元素は原子番号92番までしか存在しない」と考えられた事はないはずです。

メンデレーエフの周期表が手元にないので記憶だけですが「初期の頃の周期表は中性子の数によって狂わされていた」と言った事はなかったはずです。

ちなみに周期表は元々は(その元素の)陽子の数ではなくて原子量(≒質量)の順番に並べる事によって見出されました。

補足に書かれた「陽子数が104個ならばアクチノイドの右隣に」ですが、必ずしもそうなるとは限りません。

他の方へのお礼コメントにあった「104から118まではどのような性質なのか、予想できたのですか?」についてですが「予想できた」と言うよりは「周期表を信用して予想した」と言うべきです。

ランタノイドとアクチノイドについて.

今回のお礼コメントに対して少しだけ。

＞1922年のころは原子番号92のウランまでしか元素はないはずですが、その時、原子番号93から118までの元素が存在可能であることが予想できていたのですか？

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