現代の錬金術士達

 

 

 

 

  　わたしたちの最大の弱点はあきらめることにある。　　　トーマス・エジソン

 

                                                                                                   

 
                                                                                                                                Thomas Alva Edison
                                                                                                                    February 11, 1847 – October 18, 1931

 

●　現代の錬金術：新元素発見

新しい元素を発見したということで昨年末の２７日話題となっている。それによる
と、理研仁科加速器研究センタの森田准主任研究員らの研究グループが、８月１２
日、３個目の１１３番元素の同位体「²⁷⁸113（質量数278）」の合成を確認――０４
年、０５年に続く発見――したとのこと、前の２個とは異なる新しい崩壊経路をた
どったことが大きな意味をもっという。これまで観測してきた２個の１１３番元素
は、連続４回のアルファ崩壊を起こし、その後２つの原子核に分裂（自発核分裂）。
ところが、今回はさらに２回、合計6回の連続したアルファ崩壊を起こしたというの
だが、もう少し詳しく説明することによると、今回、３個目の113番元素の確認に成
功しただけでなく、６回のアルファ崩壊により既知の原子核であるボーリウム、ド
ブニウム、ローレンシウム、メンデレビウムに時系列的に到達し、ドブニウムがア
ルファ崩壊する様子も観測している――うぅ～ん、脳が疲れているときにこんなこ
と理解しようとしても、完全にギブアップ状態――というのだが、先に進もう。

  元素の起源を探る

それで、新元素の合成を証明するためには、その元素が崩壊した後、既知の原子核
に到達することが証明条件となるため、多くの観測数が求められ、研究グループは、
２個目の合成を確認した時、国際機関に１１３番元素発見の優先権（日本の）を主
張したが認められなかった。また、４回目のアルファ崩壊でできた原子番号１０５
のドブニウム（²⁶²Db）は、自発核分裂かアルファ崩壊することが分かっていました
が、２個とも自発核分裂しか観測できなかった経緯や、今回の合成にたどり着くた
めに、実に７年もかかっていて、実験開始からこれまで、元素合成のために原子を
衝突させた回数は百兆回を超えていたというから、そちらの方が話題となりそうだ
が、元素の存在限界を見極めるため、各国が周期表の拡大を目指して超重元素の探
索研究競争が展開されているという。そして、理化学研究所では、未知の核種の崩
壊の解析が、超重元素の構造の理解に貴重な知見をもたらため、未報告である１１
９番以上の原子番号を持った新元素の探索に挑戦し、超重元素探索の研究分野をリ
ードしていきたいという。

   原子番号113が合成される様子

 

原子番号が大きいほど陽子同士の電気的な反発が大きくなり、不安定になって核分
裂を起こしやすくなります。自然界にウランより重い原子が存在しないのは、それ
以上の原子番号の原子核は地球の寿命より短い時間で崩壊し、安定な別の原子核に
変化していくため、ウランより重い超重元素の合成は、原子番号が大きくなるほど
困難だという理屈だ。８０年代後半から超重元素合成の準備研究を始め、０３年、
原子番号３０の亜鉛（⁷⁰Zn）のビームを原子番号８３のビスマス（²⁰⁹Bi）に照射し、
新元素である１１３番元素を合成する実験を開始。ここでは、優先権の認定は省略。

知りたいのは、どのようにして「錬金」したか？だ。研究グループは、理研仁科加
速器研究センタの重イオン線形加速器（RILAC：ライラック（下図））で亜鉛（70
Zn）ビームを光速の１０％に加速し、平均すると毎秒２.８×１０¹²個もの亜鉛原子
を、標的とする厚さ約０.５μmのビスマス（209Bi）に照射して融合反応を引き起こ
したが、この照射では、亜鉛とビスマスの衝突で発生する熱がビスマスを溶かして
しまうため、直径３０cmの円板にビスマスを取り付けて（上写真）、毎分3,000 ～
4,000  回転。融合反応でできる超重元素核はビームと同じ方向に放出されるため、
ビームと目的核（²⁷⁸113）をいかに効率よく分離するかが実験の成否を決める。研
究グループが開発した気体充填型反跳分離器（GARIS：ガリス(下図））は、ビーム

そのもの（70Zn）や、ビームによって弾き出される標的核（209Bi）、目的としな
い核反応生成物などを除去し、²⁷⁸113を含む超重元素核のイオンだけをGARISの下流
に設置した位置感応型半導体検出器（PSD: Position Sensitive Semiconductor Detector）
に導く（下図）。 

 

１２年８月１２日、３個目の²⁷⁸113の合成に成功し、これまでの４回のアルファ崩
壊に続き２回のアルファ崩壊を観測、最後は原子番号１０１のメンデレビウム（質
量数254の²⁵⁴Md）になったことを確認。ここで、とくに４回目のアルファ崩壊でで
きる²⁶²Dbは、約３３％の確率で自発核分裂し、約６７％の確率でアルファ崩壊する
ことが知られている。これまでの２個の²⁷⁸113は²⁶²Dbの自発核分裂で、今回確認し
た３個目の²⁷⁸113はアルファ崩壊し、どちらの現象も確認できた（下図）。さらに、
５回目と６回目のアルファ崩壊では、崩壊を始める時間とそのとき放出される崩壊
エネルギーが、８９年～９９年に報告された²⁶²Dbと²⁵⁸Lrの崩壊にそれぞれよく一
致した。これらは、理研が合成してきた３個の原子核が、確かに²⁷⁸113であったと
いう証拠を与える。また、３個の²⁷⁸113の崩壊の様子から、113番元素の平均寿命は
２ミリ秒であることも分かった。

●　１１３番元素合成の立役者たち

まず、世界最高のビーム強度を誇る線形加速器ライラック（RILAC）。１秒間に２.
４兆個もの亜鉛原子を光速の１０%まで加速、ビスマスの標的に照射する。もしビー
ム量が１０分の１だったら？１１３番元素を３つ作るのに百年を要し発見は出来な
い。このビームは、強力過ぎて、厚さ１万分の５mmのビスマス標的に穴を開ける。
そこで、同じ場所にビームを当て続けないよう、標的を円盤上に並べ毎分３千回転
以上で回すことで解決する（下図クリック）。113番元素が合成できるのはも稀で、
折角出来ても、大量の亜鉛ビームに混じってしまう。その中から113番元素だけを
選り分けるのが気体充填型反跳分離器(GARIS)。あたかも浜辺の砂の中から一粒の
ダイヤモンドを探し出すようなもの。あれっ！このフレーズ仏教の「一握の砂」に
似ている。

さて、GARISは電磁石で粒子の進路を曲げて選り分ける。粒子の質量と電荷によっ
て曲がり方が決まるので、標的で作られた113番元素の質量は一種類、電荷はバラバ
ラなので、曲がり方もバラバラ。これでは貴重な113番元素を集められない――電子
が113個付いてれば電荷0価、電子が110個(３個取れている)なら＋３価―――そこで
重要なのが ARIS 詰めてあるヘリウムガス。113番元素がガス中を進む際、ヘリウ
ムと衝突を繰り返しながら電子のやり取りをし続ける。この変化し続ける電荷の平
均値が一定の値に定まる（平均平衡電荷：この実験では＋１１.９価)。113番元素
はこの値で決められる一定の軌道上を生成当初の電荷とは関係なく進み、もれなく
検出器に集めることに成功する。

ここまできて、すごいことが理解できた。鍵語は「量子ビーム」、。量子ビームは
原子や分子のようなナノレベルでモノを観る・創る・治すことができる先端技術。
現代の錬金士とは「量子を操る技」をもつ匠たちのこと、それじゃわたし（たち）
「ネオコンバーテック」の仲間ではないかと腑に落とす。