113番元素ニホニウムの第一イオン化エネルギー測定で拓く超重元素原子科学

• 研究課題/領域番号: 18KK0086
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 佐藤 哲也 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (40370382)
• 研究分担者: 伊藤 由太 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究職 (30711501) ; 後藤 真一 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (70334646)
• 研究期間 (年度): 2018-10-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2021年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2019年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2018年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 超重元素 / イオン化エネルギー / 同位体分離 / アクチノイド / イオンビーム / 第一イオン化エネルギー / 相対論効果 / 電子衝撃法 / 原子科学

研究成果の概要

原子番号が100を超える超重元素では、強い相対論効果の影響を受けるために、周期表からの予想に対して原子構造や化学的性質が変化する可能性が指摘されている。本研究では、スイスおよびロシアと協力し、113番元素ニホニウムまでの超重元素を対象に、単一原子イオンビームおよび分子を用いた化学実験手法を確立することを目的とした。その結果、ガスジェット結合型プラズマイオン源によるイオンビーム生成条件を決定し、さらに本イオン源が原子番号の大きい周期表末端で有用であることを示した。加えて、超重元素ドブニウムの揮発性分子を合成し、その揮発性を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

原子核の周りを運動する電子が帯びる相対論効果は、すべての元素に内在する。超重元素では、その影響が特に顕著となり、原子構造や化学的性質までが変化する可能性が指摘されてきた。その一方、超重元素は加速器でしか合成できず、短寿命であるため、その性質はほとんど明らかになっていない。本研究で開発した単一原子を対象としたイオンビーム生成技術は、このような極限領域にある元素を対象とした研究を開拓するものである。また、本研究によって明らかとなった超重元素分子の揮発性は、今後、理論計算に対するベンチマークを与え、さらに将来の計算化学の精度向上に資することが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Paul Scherrer Institut(スイス)
• [国際共同研究] Flerov Laboratory of Nuclear Reactions(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ポールシェラー研究所(スイス)
• [国際共同研究] ドゥブナ合同原子核研究所(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ポール・シェラー研究所(スイス)
• [国際共同研究] ドゥブナ合同原子核研究所(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ポール・シェラー研究所(スイス)
• [国際共同研究] ドゥブナ合同原子核研究所(ロシア連邦)
• [国際共同研究] ポール・シェラー研究所(スイス)
• [国際共同研究] ドゥブナ合同原子核研究所(ロシア連邦)
• [雑誌論文] Chemistry of the elements at the end of the actinide series using their low-energy ion-beams (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Tetsuya K.、Nagame Yuichiro
  • 雑誌名: Radiochimica Acta 巻: 110 号: 6-9 ページ: 441-451
  • DOI: 10.1515/ract-2022-0001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical Characterization of a Volatile Dubnium Compound, DbOCl3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Chiera Nadine M.、Sato Tetsuya K.、Eichler Robert、Tomitsuka Tomohiro、Asai Masato、Adachi Sadia、Dressler Rugard、Hirose Kentaro、Inoue Hiroki、Ito Yuta、Kashihara Ayuna、Makii Hiroyuki、Nishio Katsuhisa、Sakama Minoru、Shirai Kaori、Suzuki Hayato、Tokoi Katsuyuki、Tsukada Kazuaki、Watanabe Eisuke、Nagame Yuichiro
  • 雑誌名: Angewandte Chemie 巻: 133 号: 33 ページ: 18015-18018
  • DOI: 10.1002/ange.202102808
  • NAID: 120007146082
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Actinides and Transactinides (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagame Yuichiro、Sato Tetsuya K.、Kratz Jens V.
  • 雑誌名: Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology 巻: なし ページ: 1-52
  • DOI: 10.1002/0471238961.0103200919050102.a01.pub3
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Chemistry of the elements at the end of the actinide series using their low-energy ion-beams (2023)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya K. Sato
  • 学会等名: ARCEBS-2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超重元素化学研究に向けたガスジェット結合型EBGP イオン源の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 哲也, 青木 涼太, 宮地 優太, 浅井 雅人, 伊藤 由太, 内馬場 優太, Gong Gyoengmin, 名取 日菜, 塚田 和明, 永目 諭一郎
  • 学会等名: 日本化学会 第103回春季年会2023
• [学会発表] Single atom chemistry of superheavy element at JAEA (2022)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya K. Sato
  • 学会等名: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] JAEA-ISOLを用いた重アクチノイド原子科学へのアプローチ (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤哲也
  • 学会等名: 第9回イオン移動度研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Current Status of Atomic/Chemical Studies of Heavy and Transactinide Elements at JAEA (2021)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya K. Sato
  • 学会等名: Atomic Structure of Actinides & Related Topics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超重元素用EBGPイオン源の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青木涼太,佐藤哲也、大谷怜、鈴木颯人、伊藤由太、浅井雅人、塚田和明、永目諭一郎
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会(2021)
• [学会発表] Current status of atomic/chemical studies of heavy and trans-actinide elements at JAEA (2020)
  • 著者名/発表者名: T. K. Sato
  • 学会等名: 57th Annual Convention of Chemists 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemical characterization of the heaviest elements (2020)
  • 著者名/発表者名: T. K. Sato
  • 学会等名: The 19th CNS International Summer School (CNSSS20)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemical & Atomic Studies of the Heaviest Elements with JAEA-ISOL (2020)
  • 著者名/発表者名: T. K. Sato
  • 学会等名: The 19th CNS International Summer School (CNSSS20)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 重元素の化学 (2020)
  • 著者名/発表者名: 佐藤哲也
  • 学会等名: 物質科学研究討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Atomic and Chemical Properties of Lawrencium (Lr, Z = 103) and an Outlook to the Transactinides (2019)
  • 著者名/発表者名: T. K. Sato, M. Asai, Y. Kaneya, A. Toyoshima, Y. Ito, K. Tsukada, K. Tokoi, T. Tomitsuka, H. Suzuki, H. Makii, A. Osa, Y. Nagame, M. Sakama, S. Ichikawa, T. Oonishi, A. Borschevsky, Ch. E. Duellmann, J. V. Kratz, M. Schaedel, T. Stora, V. Pershina, and R. Eichler
  • 学会等名: 6th International Conference on the Chemistry and Physics of the Transactinide Elements (TAN19)
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic and Chemical Properties of the Heaviest Actinide Element, Lawrencium (Lr, Z = 103) (2019)
  • 著者名/発表者名: T. K. Sato, M. Asai, Y. Kaneya, A. Toyoshima, Y. Ito, K. Tsukada, K. Tokoi, T. Tomitsuka, H. Suzuki, H. Makii, A. Osa, Y. Nagame, M. Sakama, S. Ichikawa, T. Oonishi, A. Borschevsky, Ch. E. Duellmann, J. V. Kratz, M. Schaedel, T. Stora, V. Pershina, and R. Eichler
  • 学会等名: Mendeleev Congress XXI
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic/Chemical Properties of the Heaviest Actinide Element Lawrencium (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya K. Sato
  • 学会等名: ARCEBS2018
  • 国際学会 / 招待講演