周期表には一般に知られていない謎の元素があるのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: デノボ

プロデューサー: 中国科学博覧会

化学に関して言えば、ほとんどの人は自動的に一連の複雑で目がくらむような方程式を頭の中に思い浮かべたり、化学を恐れたりしているかもしれません。実は、化学はそれほど怖いものではなく、私たちの日常生活にとても近いものなのです。私たちが毎日吸い込む酸素や吐き出す二酸化炭素から、健康のために「お湯をたくさん飲む」ことや足を浸すこと、私たちが身につけるさまざまなアクセサリー、私たちが運転したり乗ったりするさまざまな交通手段などに至るまで、化学の「痕跡」が存在します。物質世界は化学元素で構成されていると言えます。

有名なロシアの化学者メンデレーエフが1869年に元素周期表を提唱して以来、天然元素と人工元素を含めて合計118個の元素が記録されています。科学者たちはこの周期表を繰り返し調べていくうちに、謎の元素0が存在するのではないかとも考えるようになりました。

原子の構造から始めましょう

中学校では、原子は原子核と原子核外の電子で構成されており、化学反応の最小単位であることを学びました。このうち原子核は、強い相互作用力（陽子と中性子の間に働く特有の引力）によって結合した陽子と中性子で構成されています。

陽子の数は元素自体の化学的性質に直接関係しており、原子核内の陽子の数は元素の種類を区別するための重要な指標です。同じ数の陽子は同じ元素を表します。陽子と中性子の数が同じ元素は核種と呼ばれ、陽子の数は同じだが中性子の数が異なる元素は同位体と呼ばれます。

原子構造

（画像出典：著者描き下ろし）

よく知られている元素No.1 - 水素

周期表の1番目の元素である水素は皆さんもよくご存知だと思います。水素は自然界に豊富に存在します。人間の生命に欠かせない水は、水素と酸素という2つの元素で構成されています。

最も豊富な水素核種は 1H であり、これは 1 つの陽子と 1 つの核外電子のみで構成されています。中性子を加えると、水素爆弾の主原料である同位体重水素2Hが生成されます。 1H の原子核には中性子が存在しないため、1H 原子が電子を失うと、水素イオンは自由陽子と同等になります。水中に水素イオンが多量に存在すると、水溶液は酸性になります。これは水中の酸のイオン化のプロセスです。

たとえば、多くの酸は非常に腐食性が高いことは誰もが知っています。日常生活でよく使われる調味料である酢でさえ、鱗や爪などと化学反応を起こすことがあります。これは、陽子の化学的性質の最も基本的な現れです。

水素分子の模式図

(出典: pixabay.com)

要素0は本当に存在するのでしょうか？

要素 0 について初めて聞いたとき、多くの人が混乱するかもしれません。化学の本には「水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、ネオン」と書いてあるじゃないですか。私の記憶が混乱している可能性はありますか?慌てないで！実際、周期表には元素 0 は存在しません。では、この謎の要素 0 とは一体何なのでしょうか?

周期表に元素 0 が存在しないということは、元素 0 が存在しないことを意味するわけではありません。中性子のない陽子はそれ自体が元素になれるのに、なぜ陽子のない中性子は元素になれないのでしょうか?陽子の数が異なると、元素の種類も異なります。そのため、陽子を持たない元素、つまり元素 0 は中性子元素とも呼ばれます。

物理学者アンドロポフは、20 世紀初頭に自由中性子を「元素 0」と名付け、周期表の開始位置、つまり陽子数が最も少ない元素であるヘリウムのすぐ上に置き、記号 Nu で表しました。

ただし、核種や同位体が議論されるいくつかの例外を除いて、元素 0 は周期表に含まれていません。したがって、周期表で元素 0 を見たことがないのは普通のことです。

中性子星

(画像出典: pixabay.com)

老齢の星が元素0の誕生に貢献した

元素番号 0 は星の老化プロセスから発生します。老齢の星が崩壊すると、莫大な圧力が生じ、水素原子核の外側の電子が陽子に押し込まれ、電気的に中性な中性子粒子が形成されます。その構造は安定していません。自由中性子の半減期はわずか10分程度です。通常の圧力下では、陽子に戻り、反電子ニュートリノを放出します。

そのため、現在、元素0は主に非常に重い中性子星の中に存在しています。この高圧環境により、粒子は安定して存在することができます。現段階では、通常の条件下では、元素 0 の化学的性質を調べることは困難です。

4つのサブシステム

(画像出典: www.nature.com)

通常の状況では中性子を得ることはできませんが、20年前の科学的研究では、電荷のない4つの中性子を持つ核システムが存在する可能性があることが示されました。しかし、当時の機器や装置には大きな誤差があり、実験結果については学界内でも大きな論争がありました。

しかし、科学技術の継続的な進歩により、最近、4 つの中性子からなる電荷のない核システムが存在する可能性があることが報告されました。 4つの中性子からなる原子核システムの存在を決定的に証明する実験的証拠が得られたのは今回が初めてである。現在、元素0の特性に関する研究はまだ探索段階にあります。これらの研究は、宇宙の起源や素粒子構造などの分野の発展に重要な役割を果たすでしょう。

問題は、元素 0 が存在するので、周期表に記録されていない他の新しい元素があるかどうかです。

周期表に新しい元素が追加されるでしょうか?

原子核内の複雑な相互作用は、原子核の安定した存在にとって重要な要素です。計算によれば、原子番号が鉄（原子番号26）を境界として増加し続けると、元素の安定性は最初は増加し、その後減少します。つまり、すべての元素が一列に並んでいる場合、元素が鉄から遠いほど、安定性が低くなります。

現代における新元素の発見は、原子番号が 110 を超える超重元素に集中しています。これらの超重元素は原子の衝突によって人工的に合成することができ、放射性があり、寿命が短いです。 2010年に元素番号117が合成され、周期表の第7周期が正式に満たされました。その後の10年間、科学者たちは第8周期元素の探究を止めませんでした。

しかし、超重元素の不安定性のため、これまでIUPACでは第8周期の新元素は認められていない。しかし研究者らは、微小粒子間の相互作用に関するより体系的な研究を通じて、将来的には超重元素の「安定の島」に到達し、第8周期の元素を構築するための新たな合成法が提案される可能性があると考えていると述べた。その時までに、周期表の新しい時代がすぐそこまで来ているでしょう。

参考文献:

【1】ラバルカM.原子番号0の元素?[J].ニュージャーナルオブケミストリー、2016年、40(11):9002-9006。

【2】マルケス FM、ラビッシュ M、オール NA 他中性子クラスターの検出[J]。フィジカルレビューC、2002、65(4):044006。

【3】Duer M、Aumann T、Gernhäuser R 他相関自由4中性子系の観測[J]。ネイチャー、2022、606(7915):678-682。