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

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18KK0086
• 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
• キーワード: 超重元素 / 第一イオン化エネルギー / 相対論効果 / 電子衝撃法

研究実績の概要

原子番号が100を超える超重元素では、大きな中心電荷によって引き起こされる強い相対論効果により、その化学的性質が元素の周期律から逸脱する可能性が指摘されている。これらの元素は、重イオン核反応によって合成されるが、生成される同位体はすべて単寿命であり、生成率も非常に小さいため、化学的性質の研究にあたっては、一度に一個の原子しか取り扱うことができない。このような極限領域の元素を対象に、元素の化学的性質を特徴づける原子の電子配置に関する情報を得るため、最外殻電子の束縛エネルギーを直接反映する物理量である第一イオン化エネルギーの決定を目指す。
第一イオン化エネルギーの決定には、表面電離イオン化あるいは電子衝撃イオン化におけるイオン化効率の第一イオン化エネルギー依存性を応用する。核反応によって合成した超重元素同位体をエアロゾルガスジェット搬送法あるいはガスセル法によってイオン源へと導入し、このときのイオン化効率を測定する。
2019年度は、超重元素原子のイオン化に用いる電子衝撃型イオン源として、対応真空度に幅のあるEBGP(Electron Beam Generated Plasma)イオン源の設計を終了し、プロトタイプを構築した。
国際共同研究相手先であるスイス ポールシェラー研究所 R.Eichler部門長ならびにロシア ドゥブナ合同原子核研究所 フレロフ核反応研究所 N.Aksenovグループリーダーとの議論を進め、113番元素ニホニウムの同族元素タリウムを用いたテスト実験について、検討を進めた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画で検討していたFEBIAD(Forced Electron Beam Induced Arc Discharge）型に代えて、電子衝撃型イオン源としてEBGP(Electron Beam Generated Plasma)型を採用し、最終的な設計を終了し、イオン源を構築できたことから、概ね順調に研究は進展していると言える。
現在、2018年度までにエアロダイナミックレンズによるイオン源への効率的エアロゾル導入法開発に使用したテストベンチを、上記イオン源に適用できるよう準備を進めている。

今後の研究の推進方策

プロトタイプイオン源は、テストベンチでの電子衝撃用電子ビームの発生条件等、最適条件を調べた後、原子力機構タンデム加速器に設置されているオンライン同位体分離器(Isotope Separator On-Line, ISOL)に装着し、安定同位体ビーム発生を行う。各種ビーム発生条件を求めた後、カリホルニウム252自発核分裂片線源を用いて、短寿命核種について動作条件を詳細に確認して得た条件に基づき、タンデム加速器からの重イオンビームにより合成した短寿命核種を用いたオンライン実験を行い、その性能を評価する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス対策による学会の開催中止により、出張がなくなったため差額が生じた。差額は、次年度の消耗品費として使用する。

研究成果

• [国際共同研究] ポール・シェラー研究所(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ポール・シェラー研究所
• [国際共同研究] ドゥブナ合同原子核研究所(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: ドゥブナ合同原子核研究所
• [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