地球で最も重い元素の奇妙な特性を知ろう

・最も重い元素として知られているオガネソンには、非常に珍しい物理的・化学的性質があります。

・オガネソンは、多くの化学反応性を持つ最初の希ガスです。

・オガネソンは他の希ガスと異なり、電子がバラバラではなく、塊になっています。

 

現在、元素表には700種類以上の原子が載っていて、新しい原子が頻繁に追加されているのを知っていますか。希ガスの中で最も新しいのは、原子番号が最も大きい（118）オガネソン（Og）です。2002年に初めて合成された、超重核の希ガス原子です。

 

オガネソンは生成量が少なく、半減期が短い（約1ミリ秒）ため、研究が非常に困難な物質です。科学者たちは、この元素の基本的な性質を研究するために、原子レベルで測定をする必要があります。彼らはこの元素を深く研究し、その物理的・化学的特性が他の希ガス原子とは大きく異なることを発見しました。

 

高度なシミュレーションで、オガネソンがこれまで考えられていたよりもさらに奇妙なものであることがわかりました。さまざまな点でこれまでの元素とは異なっており、このような超重元素がどのように機能するか知ることで、根本的なことがわかるかもしれません。これから、オガネソンの変わった性質や本質について解説していきます。

 

シェルの構造

核子や電子の空間分布を可視化する手法であるフェルミオン局在法を用いて、元素内の構造を特定しました。その結果、核子も電子も一様に分布しており、重くない原子の非一様な殻構造とは全く対照的であることがわかりました。

 

ラドンやキセノンと同じと考えれば、オガネソンの電子も原子核の周りに殻をつくって配置されているはずです。しかし、オガネソン中の電子は、単に殻に収まっているのではなく、漠然とした塊のように見えるのです。この奇妙な振る舞いは、超重元素の中で高速に動く電子を考えたアインシュタインの特殊相対性理論で説明できます。

 

シミュレーション | 画像元: Physics Review Letters

 

画像にあるように、上段は電子が異なる殻（緑色）で存在しています。下段は相対性理論から考えると、オガネソンの電子はキセノンやラドンと異なり、ネバネバした塊で組織されているといえます。

 

反応性に優れた希ガス

シミュレーションの結果、オガネソンの陽子、電子、中性子は、希ガスの法則のような動きをしないことがわかりました。他の原子と反応しない他の希ガスとグループ化されています。しかし、電子配置が異なるため、オガネソンは電子の受け渡しが可能な希ガスです。このため、化学反応しやすい元素です。

 

固体物性を持つガス

 

画像元: P. Jerabek and Alan Stonebraker

 

オガネソンの電子の配置は独特で、気体のように互いに跳ね返るのではなく、原子をくっつけることができます。他の希ガスとは異なり、オルガネソンの原子は、室温で固体として集合することができます。

 

希ガス固体について、最も重い元素であるオガネソンまでの予備的な測定結果が発表されました。オガネソンの凝集エネルギーは500meV近くと、他の希ガス固体と比べて予想外に高く、これは強いスピン軌道が原因である可能性が高いことがわかりました。このため、ラドン（33.2au）に比べてオガネソン（59au）の双極子分極率は大きくなっています。

 

プロトンポンプ

通常、原子核内の陽子は同じ（正の）電荷を持つため反発し合うが、強い核力によって結合されたままです。しかし、有機物では、陽子の数が非常に多く、それらが一緒になって核力を打ち消し、原子核の中心に陽子の少ない泡を形成する可能性があります。実際、シリコンが不安定になって「泡核」が発見された例もあります。

 

中性子領域

オガネソンの原子核の陽子は別々の殻にあることが予想されますが、それとは異なり、元素の中性子は結合していると想定されています。他の重元素では中性子環が確立しているので、かなり奇妙なことです。

 

このようなオガネソンの性質に関する観察は、その奇妙な性質をさらに理論的に研究する事になります。この結果は、研究者や実験家が超重元素のさらなる研究を可能にする装置やツールの製作をしやすくなるでしょう。