113番元素の第一イオン化エネルギー決定に向けた新しい測定手法の開発（国際共同研究強化）

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15KK0175
• 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, 研究副主幹 (40370382)
• 研究期間 (年度): 2016 – 2018
• キーワード: 超重元素 / ローレンシウム / 相対論効果 / アクチノイド

研究実績の概要

原子番号が100を超える重い元素は、その中心電荷が非常に大きいため、軌道電子が影響を受けることにより（相対論効果）、化学的性質を決定づける最外殻電子軌道までが変化する場合があることがかねてより期待されている。しかしながら、これらはすべて短寿命であり、また得られる量も極端に少ないため、その化学的性質は未だ不明な点が多い。このような重い元素のひとつである103番元素ローレンシウムは、強い相対論効果の影響によって、初めて最外殻電子軌道配置が周期表からの予想に従わないことが期待されていたところ、採択者が行った第一イオン化エネルギー測定により、たしかに同族元素からの予想から逸脱することが間接的に証明された。本研究では、この成果を発展させ、超重元素のスピン決定を実現することにより、価電子配置を実験的に直接決定する手法開発を目指す。
原子のスピンは、低速原子ビームを不均一磁場中に通過させ、その際のビーム分裂を観測することによって決定できる。しかしながら実験の難しさから超重元素に適用可能な原子ビーム生成技術は確立されていない。そこで、申請者が開発したガスジェット結合型高効率表面電離イオン源の技術を応用し、単一原子に応用可能な原子ビーム生成法の開発を進めた。平成29年度までに、ドイツ マインツ大学において、原子ビーム生成法及びその周辺技術開発を行い、スイス ポール・シェラー研究所においてシミュレーションコード開発を行った。
平成30年度は、周辺技術のひとつであるエアロダイナミクレンズの開発を進めた。カリフォルニウム252核分裂片線源を用いたオフライン実験並びに加速器を用いたオンライン実験により、最適動作条件を見出した。これにより、原子ビーム発生時において最大の効率低下の原因となる核反応生成物導入部からの損失の大幅な低減を実現した。

研究成果

• [国際共同研究] ポール・シェラー研究所(スイス) (2018)
  • 年月日: 2018-01-08 – 2018-03-31
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ポール・シェラー研究所
  • 主な海外共同研究者名: Robert Eichler
  • 部局: 放射化学研究室
  • 職名: グループリーダー
• [国際共同研究] マインツ大学(ドイツ) (2017)
  • 年月日: 2017-05-31 – 2018-01-01
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マインツ大学
  • 主な海外共同研究者名: Christoph E. Duellmann
  • 部局: 核化学研究室
  • 職名: 教授
• [雑誌論文] First Ionization Potentials of Fm, Md, No, and Lr: Verification of Filling-Up of 5f Electrons and Confirmation of the Actinide Series (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato Tetsuya K.、Asai M.、Borschevsky A.、Beerwerth R.、Kaneya Y.、Makii H.、Mitsukai A.、Nagame Y.、Osa A.、Toyoshima A.、Tsukada K.、Sakama M.、Takeda S.、Ooe K.、Sato D.、Shigekawa Y.、Ichikawa S.、Duellmann C. E.、Grund J、Renisch D、Kratz J V.、Schaedel M、Eliav E、Kaldor U、Fritzsche S、Stora T
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 ページ: 14609～14613
  • DOI: 10.1021/jacs.8b09068
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] CHEMICAL PROPERTIES OF LAWRENCIUM (Lr, Z =103) : ADSORPTION BEHAVIOR ON TANTALUM SURFACE (2018)
  • 著者名/発表者名: T. K. Sato, M. Asai, K. Tsukada, Y. Kaneya, T. Tomitsuka, A. Toyoshima, A. Mitsukai, H. Makii, K. Hirose, A. Osa, K. Nishio, Y. Nagame, D. Sato,K. Shirai, K. Ooe, S. Goto, M. Sakama, R. Naguwa, K. Shingu, S. Miyashita, H. Kamada, M. Shibata, Y. Shigekawa, Y. Kasamatsu, P. Steinegger, R. Eichler, Ch. E. Duellmann
  • 学会等名: Radchem2018
  • 国際学会
• [学会発表] JAEAにおける超重元素原子科学研究の現状 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤哲也
  • 学会等名: 研究会「超重元素研究の現状の現状新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] Measurements of the First Ionization Potentials of Heavy Actinides, Fm (Z = 100), Md (Z = 101), No (Z = 102) and Lr (Z = 103) (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya K. Sato
  • 学会等名: Nuclear Structure 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The First Ionization Potentials of Heavy Actinides, Fm (Z = 100), Md (Z = 101), No (Z = 102) and Lr (Z = 103) (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya K. Sato
  • 学会等名: EXON2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Present Status of SHE Chemistry at JAEA (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya K. Sato
  • 学会等名: TASCA18 workshop
  • 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