原子核内の陽子の数を人工的に変えることで新しい物質を作り出すことはできるのでしょうか？

この記事は、ネットユーザーからの同様の質問に答えることに基づいています。私の答えは、「もちろんできます。それは古いニュースです」です。科学者たちはこの原理を古くから知っており、100年近く研究を続けてきました。その結果、現在118種類の元素が誕生しました。そのうち26種類は原子核内の陽子の数を人工的に変えることで作られています。

もちろん、これら 26 個の元素は自然界に存在するはずであり、そうでなければ人工的に生成することはできません。しかし問題は、一部の元素が自然界では非常に希少であり、入手が難しいことです。いくつかの元素は半減期が短すぎます。たとえば、一部の気体元素は自然条件下では 1 秒間存在することがほとんどできず、人工的にのみ得ることができます。

周期表は人工元素の設計の基礎となります。周期表は人類の最も偉大な科学的発見の一つです。一見無関係に思えるいくつかの元素を一緒に列挙し、徐々に完全な自然元素体系を形成し、現代化学の発展を促進し、自然物質の謎を明らかにし、人類が自然の法則をより深く理解できるようにしました。それは画期的な意義を持つ。

周期表を最初に発表したのはロシアの化学者メンデレーエフで、1869年に第一世代の周期表を発表しました。その後、さまざまな国の化学者がさまざまな周期表を発表し、改良を続けました。次第に、周期表は現代化学においてかけがえのないツールとなりました。

現在、世界には 170 種類以上の周期表が存在します。周期表では、元素は原子番号順に並べられており、最も小さい番号が 1 です。横の行は周期を表し、列はグループを表します。原子半径は左から右に向かって減少し、上から下に向かって増加します。

周期表には現在、7 つの主グループ、7 つのサブグループ、第 VIII グループ、および第 0 グループがあります。元素は周期表に現れる順序に従って番号が付けられます。その数字は原子番号です。原子番号と元素の原子構造の関係は、陽子の数 = 原子番号 = 原子核外の電子の数 = 原子核電荷数です。

メンデレーエフの周期表が最初に作成されたとき、元素は 63 個しかありませんでした。彼はこれらの元素を大きさの順に並べ、当時発見されていなかったガリウム、スカンジウム、ゲルマニウムを正確に予測しました。周期表が成熟するにつれて、人々は元素の配置のパターンを発見し続け、また中間に欠けている元素を発見し続け、元素の特性に対する理解はますます深まっていきました。

したがって、周期表の重要な意義の 1 つは、科学者が周期表で欠けている元素、つまり簡単に言えば、原子番号に空白がある元素を見つける手助けをすることです。自然界に見つからない元素があれば、人工的に作り出してみてください。当時、元素の性質は原子内の陽子の数によって決まることがすでに知られており、原子内の陽子の数を変えるだけで新しい元素が得られるのです。

例えば、周期表にはすでに元素番号42のモリブデンと元素番号44のルテニウムが存在します。これら 2 つの元素の原子核内の陽子の数はそれぞれ 42 個と 44 個であることは周知の事実です。それらの間には新たな要素があるはずだ。陽子の数が43個になれば、この新しい元素が得られます。

しかし、原子核内の陽子の数をどうやって変えるのでしょうか?科学者たちは長年にわたり研究を続けてきました。

1937 年になって、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者アーネスト・ローレンスが、自ら発明したサイクロトロンを使用して、元素 41 のモリブデン原子核を元素 1 の重水素原子核で「衝突」させ、元素 43 を得ました。これが人類が得た最初の人工元素であり、「テクネチウム」(Tc) と名付けられました。ギリシャ語での「テクネチウム」の本来の意味は「人工的に作られた」です。

26 個の人工元素はすべて「加算」によって得られます。現在、人類は宇宙に合計 118 個の元素があることを発見しており、そのうち 92 個は自然界から得られ、26 個は人工的に作られたものです。元素を人工的に製造する方法は、例外なくすべて「加算」方式で実現されます。

「追加」とはどういう意味ですか?原子番号の小さい2つの元素を融合して、より大きな元素を作ることです。この「追加」方式の専門用語は、核融合または核融合です。最初の人工元素「テクネチウム」は、42 個の陽子を持つモリブデン原子核と、陽子が 1 個しかない重水素原子核を衝突させ、原子核を融合させて 43 個の陽子を持つ「テクネチウム」原子核にすることで生成されました。このようにして、「テクネチウム」が得られました。

この「追加」を行うのは非常に困難で、原子核が融合するためには極めて高い圧力と温度が必要です。そのため、20 世紀初頭に人々は、新しい元素を添加することで得られることを発見しましたが、それを実現する方法がなく、渇きを癒すことしかできず、それを実現することができませんでした。

ローレンスがサイクロトロンを発明したのは 1931 年になってからでした。サイクロトロンは原子核を極めて高いエネルギーまで加速し、2 つの原子核を衝突させて人工的に新しい元素を作り出すことができる装置でした。その後、彼は加速器を使って最初の人工元素「テクネチウム」を作り出し、その功績によりノーベル物理学賞を受賞した。

彼が発明したサイクロトロンは「原子砲」と呼ばれました。これは、原子核が砲弾のように非常に高速で別の原子核に衝突できることを意味しており、もちろん、この速度は砲弾の何倍も速いです。

すべての人工元素はこの「加算」法によって得られます。たとえば、科学者は原子番号 98 のカリホルニウムに原子番号 5 のホウ素を衝突させて、原子番号 103 のローレンシウムを得ました。原子番号 82 の鉛を原子番号 24 のクロムと衝突させて元素番号 106 を得、原子番号 98 のカリホルニウムを原子係数 20 のカルシウムと衝突させて原子番号 118 のオゾンを得た。

人類の発見は常に進行中であり、終わりはありません。これまでのところ、人工元素は 26 種類あり、テクネチウム (T) 43、プロメチウム (Pm) 61、アメリシウム (Am) 95、キュリウム (Cm) 96、バークリウム (Bk) 97、カリホルニウム (Cf) 99、アインシュタイン (Es) 100、フェルミウム (Fm) 101、メンデレビウム (Md) 102、ノーベリウム (No) 103、ローレンシウム (Lr) 104、ロジウム (Rf) 105、フェルミウム (Fm) 106、メンデレビウム (Md) 107、ノーベリウム (No) 108、ローレンシウム (Lr) 109、ロジウム (Rf) 110、106、スフェナンテラ (Db) 107、スフェナンテラ (Sg) 108、スフェナンテラ(Bh)、109 スフェナンテラ (Mt)、110 スフェナンテラ (Ds)、111 スフェナンテラ (Rg)、112 スフェナンテラ (Cn)、113 スフェナンテラ (Uut/Nh)、114 スフェナンテラ (Fl)、115 スフェナンテラ (Mc)、116 スフェナンテラ (Lv)、117 スフェナンテラ (Ts)、118 スフェナンテラ (Og)。

なぜ一部の漢字が部首と漢字で構成されているのか疑問に思うかもしれません。これは、これらの要素の中国語の文字をコンピューターで入力できないためです。文字の半分しか認識できないという噂に従って、それをそう呼びましょう。

この時点で周期表の空白はすべて埋まり、今後発見される新元素は118番以降の元素となる。43番と61番を除いて、残りの人工元素はすべて放射性元素である。これらは自然界での存在量が極めて少なく、極めて不安定であったり、半減期が非常に短いため、自然界で入手することが難しく、人工的に生成しても保存が難しいものもあります。

例えば、元素番号 118 の Og については、科学者はサイクロトロンで数え切れないほどの実験を行ってきましたが、2003 年と 2005 年の実験で得られた原子は 3 つだけです。原子は 3 つしかないため、それを監視するには非常に高度な機器が必要です。この元素の半減期はわずか 12 ミリ秒であり、瞬時に消滅します。

多くの科学者は現在でもより大きな数字を持つ元素を合成しており、元素番号119のUue、元素番号120のUbn、元素番号121などの名前が付けられているものもありますが、これらの元素を入手することはますます困難になっており、まだ想像の中にしか存在しません。周期表の最終的な数字がどうなるかについては多くの論争があり、私たちはただ待って見守るしかありません。

つまり、現代科学の発展により、人類は自然の法則をより深く理解するようになり、化学元素に対する理解も飛躍的に進歩し続けるでしょう。科学は常に前進し、絶え間ない発見と修正を続けながら、人類文明の継続的な進歩に伴って促進しています。どう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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