原子番号という物差し｜ニホニウム発見の13年と、結合できない元素たち

前回の記事「素数の元素たち｜周期表に潜む数論的パターンを追う」では、原子番号という「単なる通し番号」に素数という別レイヤーの模様を重ねてみた。今回はその通し番号自体——原子番号とは何によって決まっているのか——を掘り下げたい。そしてその延長線上にある、日本が唯一発見した元素「ニホニウム」の話、元素に「寿命」があるという事実、そして周期表の中で唯一「結合しない」ことを個性にしている元素グループについて見ていく。

原子番号はどうやって決まったのか

周期表の元祖であるメンデレーエフの表(1869年)は、実は原子番号ではなく「原子量」順に元素を並べたものだった。これでうまくいく組み合わせが大半だったが、一部でどうしても矛盾が生じた。テルル(原子量127.6)とヨウ素(同126.9)は、原子量順に並べるとテルルが先に来るはずなのに、化学的な性質(ハロゲンの仲間かどうか)で判断すると順番が逆になる。原子量という「重さ」だけを基準にしている限り、この矛盾は解決できなかった。

決着をつけたのは1913年、27歳の若さで戦死したイギリスの物理学者ヘンリー・モーズリーだった。彼は各元素にX線を照射し、跳ね返ってくる特性X線の波長を精密に測定した。その結果、波長の平方根が元素ごとにきれいな等差数列を作ることを発見する。これが「モーズリーの法則」で、この規則性は原子核の中の陽子の数(核電荷)に対応していることが分かった。

つまり原子番号の正体は、原子核の中にある陽子の数そのものである。原子量(陽子+中性子の質量)という間接的な指標ではなく、原子核の電荷という直接的な物理量が本当の並び順を決めていた。テルルとヨウ素の逆転も、陽子数(Teは52個、Iは53個)で見ればあっさり説明がつく。

現在、新元素が発見された際に「本当にその原子番号の元素ができた」と証明する手順も、この原理に基づいている。合成した原子核をアルファ崩壊の連鎖でたどり、最終的に陽子数が確定している既知の原子核(親元素)にたどり着くことで、生成物の陽子数を逆算的に証明する。次章のニホニウムも、この手法で存在が確定された。

日本発、113番元素「ニホニウム」

周期表の113番、元素記号Nh。これは2016年にIUPAC(国際純正・応用化学連合)が命名した、日本発・アジア発として史上初めての元素だ。発見したのは理化学研究所仁科加速器研究センターの森田浩介氏を中心とする研究グループ。

合成の原理はシンプルだが、実現は途方もなく困難

ニホニウムは原子番号30の亜鉛と、原子番号83のビスマスの原子核を衝突させ、融合させることで作られる(30+83=113)。ただし原子核の大きさは1兆分の1センチメートルというスケールで、加速器で亜鉛のビームをビスマスの標的に撃ち込んでも、狙って当てられるものではない。適切な速度に調整したビームを、気の遠くなるほど長時間、標的に浴びせ続けて偶然の融合を待つという、確率との勝負になる。

研究チームは2004年から2012年にかけて3回の合成事象を観測し、それぞれのアルファ崩壊連鎖を既知の原子核までたどることで113番元素の存在を証明した。この間、ロシア・アメリカの共同チームも別の反応経路で113番元素の合成を報告していたが、IUPAC/IUPAPの合同作業部会は森田グループのデータをより確実な証拠と判断し、2015年12月に発見者として認定。命名権は森田グループに与えられた。

なお、13年に及ぶ実験期間中、森田氏が初詣の賽銭を「113円」にし続けた、出張で国道113号を選んだ、新幹線のぞみ113号に乗った、といった験担ぎのエピソードはよく知られている(会見時点で本人が明かしている)。ちなみに命名決定後の会見では、次なる目標として119番・120番元素の発見を掲げ、賽銭も119円・120円に切り替えたと語っている。

特徴と限界

²⁷⁸Nhは生成直後、平均2ミリ秒でアルファ崩壊を起こす超ウラン元素だ。理論的には周期表13族(ホウ素・アルミニウムと同じ列)に位置し、金属的な性質を持つと予測されているが、一度の実験で生成できるのは原子1個単位というごく微量であり、寿命もミリ秒オーダーであるため、実際に化学反応させてその性質を確かめることは現時点でほぼ不可能に近い。存在は証明されているが、素顔はまだ理論予測の域を出ていない元素、と言える。

元素の「存在時間」という視点

「元素に寿命がある」というのは直感的に分かりにくいかもしれないが、これは原子核の安定性—放射性崩壊するかどうか—の問題だ。大きく二つの軸で整理できる。

① 天然に存在する元素の安定性

水素・炭素・酸素・鉄・鉛など、私たちの身の回りにある元素の多くは安定同位体を持ち、崩壊せずに存在し続ける。一方でウランやトリウムは放射性元素だが、半減期が数億年から数十億年オーダーと非常に長いため、46億年前の地球誕生時に作られた分がまだ天然に残っている。

対照的に、テクネチウム(43番)やプロメチウム(61番)は半減期が短く(テクネチウムの最も長寿命な同位体でも約400万年程度)、地球の年齢である46億年の間にほぼすべて崩壊し尽くしてしまった。天然にごく微量存在するのは、ウランの自発核分裂などによって現在進行形で生成され続けているぶんだけだ。テクネチウムは1937年に人工的に合成されて初めて発見された元素であり、これが「人工合成された最初の放射性元素」と呼ばれる由縁でもある。

② 人工合成された超重元素

原子番号104番以降の元素はすべて人工合成品で、寿命はミリ秒から長くても数十秒程度と極端に短い。生成された瞬間からアルファ崩壊の連鎖を起こし、次々と軽い元素に変わっていく。ニホニウムの2ミリ秒はその典型例だ。

ただし理論物理学には「安定の島(island of stability)」という仮説がある。陽子数・中性子数がある種の「魔法数」に近づくと、原子核が予想外に安定化し、半減期が秒単位どころか年単位まで跳ね上がる可能性があるというものだ。120番前後の未発見元素がこの安定の島に該当するのではないかと期待されており、森田氏が119番・120番元素の探索を続けている理由の一つもここにある。

つまり元素の「寿命」とは、原子核内部の陽子・中性子のバランスがどれだけ量子力学的に安定しているかを表す指標であり、周期表の右下(重い元素)に行くほど、この物差しはどんどん短くなっていく。

結合できない元素—貴ガスの正体

周期表18族、ヘリウム・ネオン・アルゴン・クリプトン・キセノン・ラドン・オガネソンの7元素は「貴ガス(希ガス)」と呼ばれ、化学結合をほとんど作らないことそのものが最大の個性になっている。

理由は電子配置にある。貴ガスは最外殻電子殻が完全に埋まった「閉殻構造」を持つ。原子が化学結合を作るのは、電子を共有したり授受したりして閉殻構造(安定な電子配置)に近づこうとするためだが、貴ガスは最初からその状態に到達しているため、他の原子と結びつく動機がほぼ存在しない。

とはいえ、これは「絶対に結合しない」という意味ではない。

鍵は原子番号が大きくなるほど最外殻電子が原子核から遠くなり、束縛が弱まる点にある。キセノンやクリプトンのような重い貴ガスは、フッ素のような強力な酸化剤を相手にすると電子を引き剥がされ、化合物を作ってしまう。逆にヘリウムやネオンのように軽く電子の束縛が強い貴ガスは、通常条件ではほぼ何とも結合しない。

さらに面白いのがオガネソン(118番、超重元素)だ。理論計算では、電子が光速に近い速度で原子核の周りを回ることによる相対論効果のせいで、通常の貴ガスとは異なる電子配置になり、むしろ反応性が高くなるのではないかと予測されている。ただしオガネソンは生成量が数個単位、寿命もミリ秒オーダーであるため、この予測を実験で検証することは現状ほぼ不可能に近い。ここでも「結合するかどうか」の議論は、③で見た「寿命の短さ」という別の制約に阻まれている。

まとめ:番号・寿命・結合という三つの物差し

今回見てきた三つのテーマ——原子番号、寿命、結合のしやすさ——は、いずれも周期表という同じ表の上に乗っているが、それぞれ異なる物理的起源を持つ。

原子番号は原子核内の陽子の数という、いわば「素性を示す戸籍番号」だ。前回記事で扱った「素数かどうか」は、この戸籍番号を10進法で読んだときにたまたま浮かび上がる模様に過ぎない。一方、寿命は原子核内部の陽子・中性子のバランスという核力の問題であり、結合のしやすさは電子配置という原子核の外側、周りを回る電子殻の問題である。同じ「元素」という一つの実体を、核内部・核外・数字としての表記という三つの異なる断面から見ている、と言ってもいい。

ニホニウムはこの三つの断面すべてが極端な例だった。原子番号113という重い戸籍番号を持ち、2ミリ秒という短命な寿命を持ち、化学的な結合性質については理論予測の域を出ない未知数のままだ。森田グループが13年をかけて証明したのは、この三つのうち最初の一つ——「確かに陽子113個の原子核が存在した」という事実——だけであり、その先の性質はまだ人類の観測技術が追いついていない。

GISで地形・交通・災害という複数のレイヤーを重ねて一段抽象度の高い構造を見つけるのと同じように、周期表もまた原子番号・寿命・電子配置という複数のレイヤーが重なり合ってできている。次にどのレイヤーを掘るかは、また改めて考えたい。

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