作成： 2001/10/15 山内 良麿
データ番号 ：040250
超フェルミウム(Z > 100)元素
目的 ：超フェルミウム元素の合成、測定技術の開発とその応用
放射線の種別 ：アルファ線,中性子,重イオン
放射線源 ：重イオンライナック、サイクロトロン
利用施設名 ：JINR U-400 サイクロトロン、GSI UNILAC、LBNL 88インチサイクロトロン
応用分野 ：核物理、放射線計測、核医学、原子力工学
概要 ：
原子番号が100より大きい超フェルミウム元素は、101番を除き、重イオン加速器を用いて作られた。これまで、118番までの新元素が合成されているが、これらは、ロシアのDubna、アメリカのBerkeley、およびドイツのDarmstadtの研究所において、合成されたものである。作られた新元素は現在のところ、109番目まで元素名と元素記号が決められている。
詳細説明 ：
フェルミウム(Fm)より 原子番号 Z の大きな元素は、101番を除くと、他は全て重イオン加速器でつくられている。Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory)とロシアのDubna (Joint Institute for Nuclear Research)の加速器で1958年から1974年までの間に、102番から106番の新元素が合成された。
106番までの元素については、合成した元素を検出するために、基本的に生成物を反応領域から検出器まで機械的に搬送する方法をとってきた。これに対して、原子番号が107番以上の元素の合成には、106番に比べてそれらの核の寿命が極端に短くなるために、新しい元素を素早く分離する方法と、それらを確認する新たな技術が必要となった。
107,108,109,110,111,112番の元素は、Darmstadt にある重イオン研究所(Gesellschaft fur Schwer Ionen Forschung)の重イオン ライナックUNILACを用いて、新しく生成される原子核の励起エネルギーが低くなるような特別な融合反応により、合成された。融合反応生成物は速度フィルターである重イオン反応生成物分離器(Separator for Heavy Ion Reaction Products; SHIP) を用いて検出された。
重イオンが標的核に衝突して生成された融合反応生成物は、電場と磁場を通過することによって、飛行中に散乱イオンや反跳した標的原子核から選別された後、その速度が飛行時間法で測定される。続いて、分離器の焦点面に導入された位置感応表面障壁型シリコン検出器で反応生成物の位置、エネルギーと崩壊連鎖が測定される。この速度とエネルギーから生成物のおよその質量を決定できる。
図1にSHIPの概略を示す。新元素を確認するには、その崩壊形式が既に分かっている放射性娘核の崩壊連鎖を数世代まで観測する。このような相関関係を持つ崩壊が検出できれば、それぞれの核融合生成物を確認できる。この相関現象が統計的に偶然に起こる確率は非常に小さいので、たった1回の出来事であっても、その新元素の存在を示すことができる。短寿命新元素の合成では、この反応生成物の飛行中の素早い分離と、崩壊連鎖の数世代にわたる観測が決め手となる。図2に269110の崩壊連鎖の様子を示す。
図1 The modified velocity filter SHIP (Separator for Heavy-Ion Reaction Products) and the new detection system. The drawing is approximately to scale, but the target wheel and the detectors are enlarged by a factor of 2. The length of SHIP from the target to the detector is 11 m.The target wheel has a radius of 155 mm. It rotates synchronously with beam macrostructure at 1125 rpm. The detector system consists of three large-area secondary-electron time-of-flight detectors and a position-sensitive silicon detector array. The flight time of the reaction products through SHIP is 2 μs. The filter, comprised of two electric and four magnetic dipole fields plus two quadrupole triplets, was extended by a fifth deflection magnet, allowing for the positioning of the detectors away from the straight beam line and for further reduction of the background. Reproduced from S.Hofmann and G.Munzenberg, Rev. Mod. Phys., 72, 733-767 (2000), FIG. 1 (Data Source 1, pp. 737), Copyright (2000) by the American Physical Society, with permission of the authors,（原論文1より引用。 ）
図2 Last three of the four measured decay chains assigned to 269110.（原論文5より引用。 Reproduced from S.Hofmann, V.Ninov, F.P.Hessberger, P.Armbruster, H.Folger, G.Munzenberg, H.J.Schott, A.G.Popeko, A.V.Yeremin, A.N.Andreyev, S.Saro,R.Janik, M.Leino, Z. Phys. A 350, 277-280 (1995), Fig. 5 (Data Source 5, pp.280))）
114番元素は、Dubnaの研究所でU-400サイクロトロンを用い、242Pu(48Ca,3n)287114 反応で合成された。この測定には、SHIPと似た性能を持つ静電場反跳分離器(VASSILISSA; ロシアの妖精の名前)が用いられた。また244Pu(48Ca,4n)288114,244Pu(48Ca,3n)289114 反応から114番同位元素が合成されたが、この測定にはガス充填分離器(Gaso Napolnennyj Separator)が使われた。
超フェルミウム元素領域では、原子番号114と126、核の中性子数184が魔法の数であり、これらの閉殻核の近傍では核の結合エネルギーが増大し寿命が長くなる。原子番号104番から120番にわたる広い範囲の同位元素について超重元素の特に安定な領域 'island of stability' が期待されている。114番元素(287114の半減期5.5sec) の核の寿命が112番(277112の半減期240μsec) と118番元素(293118の半減期120μsec) に比べて明らかに長くなっていることは注目に値する。118番元素は、Berkeleyの88インチサイクロトロンを用いて208Pb(86Kr,n)293118反応から合成された。測定にはガス充填分離器(Berkeley Gas-filled Separator)が用いられた。
表1 に、これまでIUPAC(International Unions of Pure and Applied Chemistry)により承認された超フェルミウム元素の名称と元素記号を示す。これらの新元素の生成に関して、究極的にどんな性質がそれらの安定性を決めているのかという問いに答えるための探求が現在も続けられている。
表1 Names and symbols of the transfermium elements. Column 3: Names finally accepted by the IUPAC General Assembly in August 1997; Columns 4 and 5 : Names previously in use.Reproduced from S.Hofmann and G.Munzenberg, Rev. Mod. Phys., 72, 733-767 (2000), TABLE II (Data Source 1, pp. 762), Copyright (2000) by the American Physical Society, with permission of the authors,（原論文1より引用。 ）
---------------------------------------------------------------------------------
IUPAC 1997
Period of (Currently Other names suggested
Z discovery accepted) IUPAC 1994 or previously in use
---------------------------------------------------------------------------------
101 1995-58 Mendelevium (Md) Mendelevium (Md)
102 1958-65 Nobelium (No) Nobelium (No)
103 1961-71 Lawrencium (Lr) Lawrencium (Lr)
104 1964-69 Rutherfordium (Rf) Dubnium (Db) Rutherfordium (Rf)
Kurchatovium (Ku)
105 1968-70 Dubnium (Db) Joliotium (JI) Hahnium (Ha)
Nielsbohrium (Ns)
106 1974 Seaborgium (Sg) Rutherfordium (Rf)
107 1981 Bohrium (Bh) Bohrium (Bh) Nielsbohrium (Ns)
108 1984 Hassium (Hs) Hahnium (Hn)
109 1982 Meitnerium (Mt) Meitnerium (Mt)
110 1994 unnamed
111 1994 unnamed
112 1996 unnamed
---------------------------------------------------------------------------------
コメント ：
超フェルミウム元素の合成を進めて行くことは、原子核の基本的性質を追求することに繋がる。これまでに見つかっている原子番号の最も大きい118番の293118の生成断面積は2.2pbと極めて小さい。今後、このような生成断面積の小さい新元素を合成するためには、加速器ビーム強度の増強、ターゲット系の改良、重イオン測定技術の開発等、実験技術の進展が不可欠であると同時に、一層精密な超重核に関する原子核理論の構築が必要であろう。
原論文１ Data source 1：
The discovery of the heaviest elements
S.Hofmann and G.Munzenberg
Gesellschaft fur Schwerionenforschung mbH (GSI), D-64291 Darmstadt,Germany
Review of Modern Physics, Vol.72, No.3, July 2000, p733-767
原論文２ Data source 2：
Observation of Superheavy Nuclei Produced in the Reaction of 86Kr with 208Pb
V.Ninov*. K.E.Gregorich*, W.Loveland**, A.Ghiorso*, D.C.Hoffman*,***, D.M.Lee*, H.Nitsche*,***, W.Swiatecki*, U.W.Kirbach*, C.A.Laue* ,J.L.Adams*,***, J.B.Patin*,***, D.A.Shaughnessy*,***, D.A.Strellis*, andP.A.Wilk*,***
*Nuclear Science Division, Lawrence Berkely National Laboratory,Berkeley, California 974720, **Department of Chemistry, Oregon State University, ***Department of Chemistry, University of California
PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol.83, No.6, 1999, p1104-1107
原論文３ Data source 3：
Synthesis of nuclei of the superheavy element 114 in reactions induced by 48Ca
Yu.Ts.Oganessian, A.V.Yeremin, A.G.Popeko, S.L.Bogomolov, B.N.Gikal,V.A.Gorshkov, G.G.Gulbekian, M.G.Itkis, A.P.Kabachenko, A.Yu.Lavrentev,O.N.Malyshev, J.Rohac, R.N.Sagaidak, S.Hofmann*, S.Soro**, G.Giardina# and K.Morita##
Flerov Laboratory of Nuclear Research, JINR, 141 980 Dubna, Russia,*Gesellschaft fur Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany, **Comenius University, Bratislava, Slovakia, #Dipartimento di Fisica dell'Universita di Messina,Italy, ##Institute of Physical and Chemical Research, Wako-shi,Saitama, Japan
NATURE VOL.400,1999, p242-245
原論文４ Data source 4：
The new element 112
S.Hofmann, V.Ninov, E.P.Hessberger, P,Armbruster, H.Folger, G.Munzenberg, H.J.Schott, A.G.Popeko*, A.V.Yeremin*, S.Soro**, R.Janik**,M.Leino***
Gesellschaft fur Schwerionenforschung, D-64220 Darmstadt, Germany,
*Flerov Laboratory of Nuclear Research, JINR, 141 980 Dubna, Russia,**Department of Nuclear Physics, Comenius University, SK-84215 Bratislava, Slovakia, ***Department of Physics, University of Jyvaskyla,FIN-40100 Jyvaskyla, Finland
Z.Phys. A354, 229-230 (1996)
原論文５ Data source 5：
Production and decay of 269110
S.Hofmann, V.Ninov, F.P.Hessberger, P.Armbruster, H.Folger, G.Munzenberg, H.J.Schott, A.G.Popeko*, A.V.Yeremin*, A.N.Andreyev*, S.Saro**,R.Janik**, M.Leino#
Gesellschaft fur Schwerionenforschung, D-64220 Darmstadt, Germany,*Flerov Laboratory of Nuclear Research, JINR, 141980 Dubna, Russia,**Department of Nuclear Physics, Comenius University, SK-84215 Bratislava, Slovakia, #Department of Physics, University of Jyvaskyla, SF-40100 Jyvaskyla, Finland
Z.Phys. A350, 277-280 (1995)
原論文６ Data source 6：
新しい元素の創造 CREATING SUPERHEAVY ELEMENTS
PETER ARMBRUSTER and GOTTFRIED MUNZENBERG(月出 章、渡部 力 訳)
Gesellschaft fur Schwerionenforschung, D-64220 Darmstadt, Germany
日経サイエンス 特集 素粒子 クォークから重い原子核へ 1989年7月号 p104-111
参考資料１ Reference 1：
Transfermium Working Group - 超フェルミウム元素(Z > 100)はどの研究グループが発見したか -
坂井光夫
東京大学原子核研究所、東京都田無市緑町3-2-1
日本物理学会誌 Vol.49, No.6, 1994, p479-484
キーワード：超フェルミウム元素、原子番号、超重元素生成、重イオン、加速器、超重核の合成、崩壊連鎖、融合反応生成物
transfermium elements, atomic number, superheavyelement formation, heavy ion, accelerator, synthesis of superheavy nuclei、decay chain, fusion reaction product
分類コード：040101, 040103, 040301