拡張周期表（かくちょうしゅうきひょう、）とは、ドミトリ・メンデレーエフの周期表を未知の超重元素の領域まで論理的に発展させた周期表である。未知の元素についてはIUPACの元素の系統名に準じて表記される。原子番号119（ウンウンエンニウム）以降の元素は全て未発見である（発見報告無し）。
これらの元素は全て人工放射性元素と考えられており、94番プルトニウム以降の元素は全て人工的に合成されている。したがって、この場合における「発見」とは人工合成を意味することとなり、発見者として認定されると命名権が与えられ、IUPACで承認されると正式に元素名となる。
概要
現在発見されているよりも大きい原子番号の元素が発見された場合には、既存の周期と同様に、その元素の性質が周期的に繰り返される傾向を示すようにレイアウトされた、追加の周期に置かれることになるだろう。追加される周期は、第7周期よりも多くの元素を含むことが予想される。これは、いわゆるgブロックが追加され、g軌道の一部が満たされた少なくとも18個の元素が含まれると計算されるからである。gブロックと第8周期を含む周期表は、1969年にグレン・シーボーグによって提案された。 gブロックの最初の元素は原子番号121である可能性があり、その場合ウンビウニウムという系統名を持つことになる。この領域の元素は、多くの探索にもかかわらず、合成されたり自然界で発見されたりしていないElement 122 was claimed to exist naturally in April 2008, but this claim was widely believed to be erroneous. 。
原子構造の量子力学的記述における軌道近似計算によれば、gブロックは部分的にg軌道が充填された元素に対応するが、スピン軌道相互作用により、原子番号の高い元素では軌道近似計算の有効性が大幅に低下する。シーボーグの拡張周期表では相対論的効果を考慮していなかったため、重い元素が軽い元素のパターンに従っていたが、相対論効果を考慮したモデルでは異なる。ペッカ・ピューッコとブルクハルト・フリッケはコンピュータモデルを用いてZ = 172までの元素の配置を計算し、いくつかの元素が構造原理からずれていることを発見した。 原子番号120を超える元素の化学的・物理的性質の予測には不確実性とばらつきがあるため、現在のところ拡張周期表における元素の配置についてはコンセンサスが得られていない。
この領域の元素は、放射性崩壊に対して非常に不安定であり、半減期が極めて短いアルファ崩壊や自発核分裂を起こす可能性が高いが、126番元素は自発核分裂には耐性があるがアルファ崩壊を起こす安定の島にあると考えられている。既知の元素以降にも安定の島が存在する可能性があり、その中には164番元素を中心に理論化されたものも含まれるが、閉じた核の殻による安定化効果がどの程度あるかは不明である。予測される安定の島を超えて元素が物理的にどのくらい存在可能なのか、第8周期に終わりがあるのか、第9周期があるのかは明らかではない。国際純正・応用化学連合(IUPAC)では、原子核が電子雲を形成する時間である10-14秒(0.01ピコ秒、10フェムト秒)よりも寿命が長い元素を存在の定義としている。
1940年には、相対論的なディラック方程式を単純に解釈すると、Z > 1/α ≈ 137の電子軌道が問題となることが指摘されていた。137番元素より先には中性原子が存在できず、電子軌道に基づく元素周期表はこの時点で破綻することが示唆されていた。 一方、より厳密な分析では、類似の限界をZ ≈ 168から172までと計算し、ここで1s電子軌道がディラックの海に飛び込むとした。ただし、これを超えて存在できないのは中性原子ではなく裸の原子核であり、周期系のさらなる拡張を妨げるものではないとしている。この臨界原子番号を超える原子を「超臨界原子」と呼ぶ。
歴史 アクチノイドより重い元素の存在は既に1895年には提案されており、デンマークの化学者ユリウス・トムセンが、ウランやトリウムを含む32元素の周期(第7周期)は、化学的に不活性な原子量292の元素で終わることを予測していた。これは、オガネソンで現在唯一発見されている同位体の原子量294に近い。1913年、スウェーデンの物理学者ヨハネス・リュードベリは、ラドンの次の貴ガスは原子番号118であると同様に予測し、ラドンより重い同族体は Z = 168, 218, 290, 362, 460 であることを、純粋に構造原理より導き出した。ニールス・ボーアは1922年に、ラドンの次となる貴ガスの電子構造を Z = 118 と予測し、また自然界でウランより原子番号が大きい元素が見られないのは、あまりにも不安定だからであると指摘した。ドイツの物理学者で技術者でもあるRichard Swinneは、1926年に超ウラン元素についての予測を含むレビュー論文を発表し、安定の島という現代の予測を先取りしていた。彼は1914年より、半減期は厳密には原子番号とともに減少しないという仮説を立て、Z = 98–102 と Z = 108–110 に長寿命の元素があるかもしれないと示唆し、こうした元素は地球の核、鉄隕石、あるいは宇宙起源の物質がグリーンランド氷床(:en:Greenland ice sheet)の中に閉じ込められて存在しているのではないかと推測していた。1955年には、これらの元素は超重元素と呼ばれるようになった。
未発見の超重元素の性質について最初の予測がなされたのは1957年のことで、殻模型の概念が初めて検討され、126番元素近辺に安定の島が存在することが理論的に示された。1967年にはより厳密な計算が行われ、安定の島は当時未発見のフレロビウム(114番元素)を中心にしていることが理論づけられた。この研究やその後の研究により、多くの研究者が自然界での超重元素の探索や、加速器での合成を試みるようになった。1970年代に超重元素の多くの検索が行われたが、いずれも否定的な結果だった。元素合成は、ウンビトリウム (Z = 123) を除くウンビセプチウム (Z = 127) までの元素で試みられ 、合成に成功した最も重い元素は2002年のオガネソン、最も新しい元素の発見は2010年のテネシンである。
一部の超重元素は周期表の第7周期を超えると予測されたため、これらの元素を含む追加の第8周期が、1969年にグレン・シーボーグによって最初に提案された。このモデルは既存元素のパターンを継承しつつ、gブロックおよび121番元素から始まる超アクチノイド系列を導入し、今までの周期よりも第8周期の元素数が増えている。しかしこれら初期の計算では、周期的な傾向を崩し、単純な予測が不可能になる相対論的な効果を考慮していなかった。
1971年、ドイツの化学者Frickeは Z = 172 までの周期表を計算し、いくつかの元素が既存のパターンと異なる特性を持つことを発見した。また、2010年にペッカ・ピューッコが行った計算でも、いくつかの元素が予想とは異なる振る舞いをする可能性があるとされている。重い元素ほどより不安定になると予測されているため、周期表が既知の118元素を超えてどこまで拡張されるかは未知数である。グレン・シーボーグは、実際には核の不安定性のために、早ければ Z = 120 付近で周期表の終わりが来るのではないかと示唆している。
拡張周期表の予想される構造 周期表における原子番号120を超える元素の配置については、現在合意が得られていない。
すべての仮説上の元素には、国際純正・応用化学連合(IUPAC)の体系的な元素名が与えられる。それらの元素が発見および確認され、正式名称が承認されるまで使用される。これらの名前は通常、文献では使用されず、元素は原子番号で参照される。したがって、164番元素は、「ウンヘキサクアジウム」または「Uhq」(体系名と記号))ではなく「164番元素」、または記号で「164」、「(164)」、または「E164」と呼ばれる。
シーボーグの拡張周期表 1969年にアメリカの化学者グレン・シーボーグが提案した周期表である。第7周期までの法則に合わせて、素直にGブロックを配置した形をしている。構造原理からの単純な外挿では、8行目は8s、5g、6f、7d、8pの順序で軌道が満たされると予測されるが、121番元素以降では電子殻のエネルギーが近接しているため、単純な表に配置することが困難になる。
+ 1H2He 3Li4Be 5B6C7N8O9F10Ne11Na12Mg 13Al14Si15P16S17Cl18Ar19K20Ca 21Sc22Ti23V24Cr25Mn26Fe27Co28Ni29Cu30Zn31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr37Rb38Sr 39Y40Zr41Nb42Mo43Tc44Ru45Rh46Pd47Ag48Cd49In50Sn51Sb52Te53I54Xe55Cs56Ba 57La58Ce59Pr60Nd61Pm62Sm63Eu64Gd65Tb66Dy67Ho68Er69Tm70Yb71Lu72Hf73Ta74W75Re76Os77Ir78Pt79Au80Hg81Tl82Pb83Bi84Po85At86Rn87Fr88Ra89Ac90Th91Pa92U93Np94Pu95Am96Cm97Bk98Cf99Es100Fm101Md102No103Lr104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Ds111Rg112Cn113Nh114Fl115Mc116Lv117Ts118Og119Uue120Ubn121Ubu122Ubb123Ubt124Ubq125Ubp126Ubh127Ubs128Ubo129Ube130Utn131Utu132Utb133Utt134Utq135Utp136Uth137Uts138Uto139Ute140Uqn141Uqu142Uqb143Uqt144Uqq145Uqp146Uqh147Uqs148Uqo149Uqe150Upn151Upu152Upb153Upt154Upq155Upp156Uph157Ups158Upo159Upe160Uhn161Uhu162Uhb163Uht164Uhq165Uhp166Uhh167Uhs168Uho
Sブロック元素Pブロック元素Dブロック元素Fブロック元素Gブロック元素
Frickeの拡張周期表 すべてのモデルが、より軽い元素によって確立されたパターンに従って、より重い元素を示しているわけではない。ドイツの化学者であるBurkhard Frickeらは、1971年に発表された論文で、172番元素までおよび184番元素の計算を行った。電子軌道のエネルギーが重なった結果として、一部の元素がマーデルング則(en:Madelung rule)から外れることも発見した。これは、重い元素における相対論効果の役割が増大していることが原因である。
Frickeらの形式は、起こり得る化学的挙動よりも、形式的な電子配置に重点を置いている。彼らは156番元素から164番元素を4族から12族に配置しているが、これらの電子配置が7d2から7d10になると考えたためである。ただし、それらは、8s電子殻が化学結合に利用できず、代わりに9s電子殻が利用できる点で、今までのdブロック元素と異なる。例えば、7d109s0の164番元素は、4d105s0のパラジウムと類似しているとFrickeらに指摘されており、157番元素から172番元素までは、第3族から第18族までと化学的に類似していると考えられている(ただし、165と166番元素がそれぞれ第1族と第2族の元素に近いのか、それとも第11族と第12族の元素に近いのかについては意見が分かれている)。そのため、彼らの表において157番元素から164番元素までは、著者らが化学的に最も類似していると予想したものとは異なる族に分類されている。
1H2He 3Li4Be 5B6C7N8O9F10Ne11Na12Mg 13Al14Si15P16S17Cl18Ar19K20Ca 21Sc22Ti23V24Cr25Mn26Fe27Co28Ni29Cu30Zn31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr37Rb38Sr 39Y40Zr41Nb42Mo43Tc44Ru45Rh46Pd47Ag48Cd49In50Sn51Sb52Te53I54Xe55Cs56Ba 57La58Ce59Pr60Nd61Pm62Sm63Eu64Gd65Tb66Dy67Ho68Er69Tm70Yb71Lu72Hf73Ta74W75Re76Os77Ir78Pt79Au80Hg81Tl82Pb83Bi84Po85At86Rn87Fr88Ra89Ac90Th91Pa92U93Np94Pu95Am96Cm97Bk98Cf99Es100Fm101Md102No103Lr104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Ds111Rg112Cn113Nh114Fl115Mc116Lv117Ts118Og119Uue120Ubn121Ubu122Ubb123Ubt124Ubq125Ubp126Ubh127Ubs128Ubo129Ube130Utn131Utu132Utb133Utt134Utq135Utp136Uth137Uts138Uto139Ute140Uqn141Uqu142Uqb143Uqt144Uqq145Uqp146Uqh147Uqs148Uqo149Uqe150Upn151Upu152Upb153Upt154Upq155Upp156Uph157Ups158Upo159Upe160Uhn161Uhu162Uhb163Uht164Uhq165Uhp166Uhh 167Uhs168Uho169Uhe170Usn171Usu172Usb
Sブロック元素Pブロック元素Dブロック元素Fブロック元素Gブロック元素
ピューッコの拡張周期表 2010年にペッカ・ピューッコが提唱した周期表であるA suggested periodic table up to Z ≤ 172, based on Dirac–Fock calculations on atoms and ions, Pekka Pyykkö, Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, Advance Article 。相対論効果を考慮した理論計算によって電子軌道の準位を8s<5g≤8p1/2<6f<7d<9s<9p1/2<8p3/2であるとし、これに基づいて172番元素(ウンセプトビウム)までの元素を配置している。一部で原子番号と配置が前後する。また、2011年に発表された論文で、コンピューターモデルを使用してZ = 172までの元素の配置と、予想される化学的性質を計算した。彼はFrickeらの軌道構成を再現し、イオン構成に基づいて121番元素から164番元素までを正式に周期表へ割り当てることで、彼らの周期表への改良を提案した。139と140番元素は、8p1/2電子殻が埋まることを反映して13族と14族に配置され、5g、8p1/2、および6f系列を区別している。FrickeらとNefedovらは、これらの系列を分割していない。
1s1H 2He2s 2p3Li4Be 5B6C7N8O9F10Ne3s 3p11Na12Mg 13Al14Si15P16S17Cl18Ar4s 3d 4p19K20Ca 21Sc22Ti23V24Cr25Mn26Fe27Co28Ni29Cu30Zn31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr5s 4d 5p37Rb38Sr 39Y40Zr41Nb42Mo43Tc44Ru45Rh46Pd47Ag48Cd49In50Sn51Sb52Te53I54Xe6s 4f 5d 6p55Cs56Ba 57La58Ce59Pr60Nd61Pm62Sm63Eu64Gd65Tb66Dy67Ho68Er69Tm70Yb71Lu72Hf73Ta74W75Re76Os77Ir78Pt79Au80Hg81Tl82Pb83Bi84Po85At86Rn7s 5f 6d 7p87Fr88Ra 89Ac90Th91Pa92U93Np94Pu95Am96Cm97Bk98Cf99Es100Fm101Md102No103Lr104Rf105Db106Sg107Bh108Hs109Mt110Ds111Rg112Cn113Nh114Fl115Mc116Lv117Ts118Og8s 5g 6f 7d 8p119Uue120Ubn121Ubu122Ubb123Ubt124Ubq125Ubp126Ubh127Ubs128Ubo129Ube130Utn131Utu132Utb133Utt134Utq135Utp136Uth137Uts138Uto141Uqu142Uqb143Uqt144Uqq145Uqp146Uqh147Uqs148Uqo149Uqe150Upn151Upu152Upb153Upt154Upq155Upp156Uph157Ups158Upo159Upe160Uhn161Uhu162Uhb163Uht164Uhq139Ute140Uqn169Uhe170Usn171Usu172Usb9s 9p165Uhp166Uhh 167Uhs168Uho
8p1/2（8p*）軌道に電子が満たされるブロック8p3/2軌道に電子が満たされるブロック
より簡易な表示によるピューッコの拡張周期表。
Nefedovの拡張周期表 Nefedov(ロシア語版)、Trzhaskovskaya、Yarzhemskiiは164番元素までの計算を行い、結果を2006年に発表した。ピューッコやFrickeらとは対照的に、彼らは第5周期遷移金属との電子配置の類似性に注目し、158番元素から164番元素は6族から12族ではなく、4族から10族の同族体であると考えた。RgとCnには、AuとHgとは異なる電子配置を反映するためにアスタリスクが付けられている(論文では、これらは3次元に配置されているように描かれている)。一方で、PtとDsの電子配置の違いは顕著ではないとしている。 +Nefedovらの提案した周期表(一部) Cs Ba La–Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac–Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg* Cn* Nh Fl Mc Lv Ts Og 119 120 158 159 160 161 162 163 164
Kulshaの拡張周期表 計算化学者Andrey Kulshaは、ピューッコの計算を参考にして、Nefedovらによる164番元素までの拡張周期表をもとに、172番元素までの改良された2つの形式を提案した。考えられる化学的性質に基づき、元素157から172は、どちらの形式においても、第8周期のイットリウムからキセノンまでの第5周期の同族元素として位置付けられている。これは、Nefedovらによる157から164のイットリウムからパラジウムまでの配置を拡張するものであり、Frickeらによる化学的類似性と一致している。
Kulshaは、従来の元素へ正確に対応するものが存在しない、121番元素から156番元素までを扱う2つの方法を提案した。彼の最初の形式(2011年、ピューッコの論文が発表された後)では、元素121から138までと、139から156までを2つの別々の列(まとめて「Ultransition elements」と呼ばれる)として配置され、5g18電子殻をコアに追加することによって2つの列を関連付けた。ピューッコによる酸化状態の計算では、それぞれランタノイドとアクチノイドに似ると予想される。彼の2番目の提案(2016年)では、121番元素から142番元素まではgブロックを形成し(5g活性があるため)、元素143から156はアクチニウムからノーベリウムの下に配置されたfブロックを形成する。したがって、第8周期には54の元素が現れ、118番元素の次の貴ガス(液体または固体と予想)は172番元素と考えられる。
Smitsらの拡張周期表 2023年、Smits、Düllmann、Indelicato、Nazarewicz、Schwerdtfegerは、電子配置に基づいて周期表の119番から170番までの元素を配置する試みを行った。いくつかの元素(121番から124番までと、168番)は、明確に配置できなかった。145番元素は2回出現し、いくつかの場所は二重に占有され、他の場所は空である。
Cs Ba Fr Ra 119 120 125 126 127 128/129 130 131 132 133/134 135 136 137 138 139 140 141 142/143 144 145 165 166
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og 145 146 147 148/149 150 151 152 153 154 155 156 157 158/159 160 161 162 163 164 167 169 170
未発見の元素の探索
合成の試み ウンビセプチウムまでの第8周期元素は、ウンビトリウムを除いて合成が試みられているが、成功していない。
ウンウンエンニウム ウンウンエンニウムの合成が初めて試みられたのは、1985年にカリフォルニア州バークレーにあるsuperHILAC加速器で、アインスタイニウム254の標的にカルシウム48イオンを衝突させて行われた。
+ → * → no atoms
原子は確認されず，断面積(核反応を起こす割合を表す尺度)の限界は300nbとされた。後の計算では、299Uueと3個の中性子を生成物とする3n反応の断面積は、実際にはこの上限の60万分の1の0.5pbになるとされている。
ウンウンエンニウムは未発見の最軽量元素であり、ドイツとロシアによって合成実験の対象となった。 ロシアの実験は2011年に行われたが、結果は公表されず、ウンウンエンニウム原子が確認されなかったのではないかと考えられている。2012年4月から9月にかけて、ドイツのダルムシュタットにある重イオン研究所(GSI)で、バークリウム249を標的にチタン50を衝突させて295Uueと296Uueの同位体を合成する試みが行われたModern alchemy: Turning a line, The Economist, May 12, 2012.Superheavy Element Search Campaign at TASCA. J. Khuyagbaatar。 理論的に予測される断面積から、実験開始から5ヶ月以内にウンウンエンニウム原子が合成されると予想されていた。さらに、バークリウム 249は327日という短い半減期でカリフォルニウム249(次の元素)に崩壊するため、これにより119番元素と120番元素を同時に探索することが可能であった。
+ → * → + 3 n + → * → + 4 n
当初、実験は2012年11月まで行われる予定であったが、テネシンの合成を確認するために249Bkのターゲットを利用するため(衝突させるイオンをチタン50からカルシウム48に変更)、早期に中止された。 この249Bkと50Tiの反応は、やや非対称であり、やや冷たい合成反応であるが、ウンウンエンニウムの生成に最も好ましい実用的な反応であると予測されていた(254Esと48Caの反応の方が優れているが、標的用にミリグラム量の254Esを準備するのは難しい)。とはいえ、「銀の弾丸」である48Caから50Tiへと変更する必要があり、ウンウンエンニウムの収量は核融合反応の非対称性に強く依存しているため、期待される収量は約20分の1になってしまう。
半減期が短いと予測されたため、GSIのチームはマイクロ秒以内に崩壊イベントを記録できる新しい「高速」機器を使用した。ウンウンエンニウム原子は特定されず、限界断面積は70fbと考えられる。予測される実際の断面積は約40fbであり、これは現在の技術の限界である。
理化学研究所(理研、埼玉県和光市)のチームは、2018年1月にキュリウム248の標的をバナジウム51のビームで照射し、119番元素の探索を開始した。より重いバークリウムやカリホルニウムではなくキュリウムが選ばれたのは、これらのより重い元素は用意が難しいためである。248Cmはオークリッジ国立研究所から提供された。理研は高強度バナジウムビームを開発した。実験はサイクロトロンで始まり、その間に理研は線形加速器をアップグレードし、アップグレードは2020年に完了した。最初の元素合成が観測されるまで、両方の機器で照射を続けることができる。実験は現在、少なくとも年間100日間断続的に実行されている。
JINRのチームは将来、おそらく243Am + 54Crの反応を使用して119番元素の合成を試みることを計画しているが、正確な時期は公表されていない。
ウンビニリウム 2006年に、249Cfと48Caの反応でオガネソンを得ることに成功したドゥブナ合同原子核研究所(JINR)のチームは、58Feと244Puの原子核からウンビニリウム(120番元素)を作ることを目指して、2007年3月から4月にかけて同様の実験を開始した。ウンビニリウムの同位体は、アルファ崩壊の半減期がマイクロ秒のオーダーであると予想されている。初期の分析ではウンビニリウムの原子は生成されず、エネルギーの限界断面積は400fbという結果であった。
+ → * → no atoms
ロシアのチームは、この反応に再挑戦する前に設備を更新することを計画していた。
2007年4月、ドイツのダルムシュタットにある重イオン研究所(GSI)のチームは、ウラン238とニッケル64を用いてウンビニリウムの生成を試みた。
+ → * → no atoms
原子は検出されず、このエネルギーでの断面積は1.6pbであった。GSIは、2007年4月から5月、2008年1月から3月、2008年9月から10月の3回にわたり、より高い感度で実験を繰り返したが、いずれも否定的な結果となり、断面積の限界値は90fbであった。
GSIでは、より多くの放射性ターゲットを使用できるように装置を更新した後、2010年6月から7月、および2011年に、より非対称な核融合反応を試みた。
+ → * → no atoms
このような反応の収率は、その非対称性に強く依存しているため、反応の変化によってウンビニリウムの合成確率が5倍になることが期待されていた。 その結果、299Ubnとその娘核295Ogの予測されるアルファ崩壊のエネルギーと、そのまた娘核である291Lvの実験的に知られている崩壊エネルギーに一致する3つの相関信号が観測されたが、これらの可能性のある崩壊の寿命が予想よりもずっと長く、結果を確認することはできなかった。
2011年8月から10月にかけて、GSIの別チームがTASCA施設を使って、さらに非対称な新しい反応を試みた。
+ → * → no atoms