확장 주기율표는 현재까지 알려지고 증명된 화학 원소를 넘어서는 원소들에 대해 이론적으로 구성한 주기율표를 가리킨다. 현재까지 확인된 원자 번호가 가장 높은 원소는 오가네손(Z = 118)으로, 이는 주기율표의 7주기를 완성한다. 따라서 8주기 이후의 모든 원소는 현재까지 순전히 가설적인 상태로 남아 있다.
원소 118번을 넘어서는 원소들은 발견될 경우 추가 주기에 배치될 것으로 예상되며, 기존 주기와 마찬가지로 원소의 주기적으로 반복되는 특성 경향을 보여주기 위해 배열된다. 추가 주기는 7주기보다 더 많은 원소를 포함할 것으로 계산되는데, 이는 각 주기에 부분적으로 채워진 g-궤도를 포함하는 추가적인 g-구역이 존재할 것으로 예측되기 때문이며, 최소 18개의 원소를 포함한다. 이 구역을 포함하는 8주기 주기율표는 글렌 T. 시보그가 1969년에 처음 제안했다. g-구역의 첫 번째 원소는 원자 번호 121을 가질 수 있으며, 체계적인 이름은 운비우늄이다. 많은 탐색에도 불구하고 이 영역의 원소는 아직 합성되거나 자연에서 발견되지 않았다.
양자역학적 설명에서 궤도 근사에 따르면 g-구역은 부분적으로 채워진 g-궤도를 가진 원소에 해당하지만, 스핀-궤도 결합 효과는 높은 원자 번호를 가진 원소에 대한 궤도 근사의 유효성을 상당히 감소시킨다. 시보그의 확장 주기율표 버전은 가벼운 원소들이 설정한 패턴을 따르도록 무거운 원소들을 배치했는데, 이는 상대론적 효과를 고려하지 않았기 때문이다. 상대론적 효과를 고려하는 모델은 이 패턴이 깨질 것이라고 예측한다. 페카 퓌쾨와 부르크하르트 프리케는 컴퓨터 모델링을 사용하여 Z = 172까지의 원소들의 위치를 계산했고, 그 결과 여러 원소가 마델룽 규칙에서 벗어난다는 것을 발견했다. 120번을 넘어서는 원소의 화학적·물리적 특성에 대한 예측의 불확실성과 가변성으로 인해, 현재 확장 주기율표에서의 이들의 배치에 대한 합의는 없다.
이 영역의 원소는 방사성 붕괴에 대해 매우 불안정하며 극히 짧은 반감기로 알파 붕괴 또는 자발 핵분열을 겪을 가능성이 높지만, 원소 126번은 핵분열에 저항하지만 알파 붕괴에는 저항하지 않는 안정성의 섬 내에 있을 것으로 가설화된다. 알려진 원소를 넘어서는 다른 안정성의 섬도 가능할 수 있으며, 원소 164번 주변에 이론화된 섬도 포함되지만 닫힌 핵 껍질의 안정화 효과의 정도는 불확실하다. 예상되는 안정성의 섬을 넘어서는 몇 개의 원소가 물리적으로 가능한지, 8주기가 완성되는지, 또는 9주기가 있는지 여부는 불분명하다. 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)은 원소가 핵이 전자 구름을 형성하는 데 걸리는 시간인 10⁻¹⁴초보다 긴 수명을 가질 경우 존재한다고 정의한다.
1940년에 이미 상대론적 디랙 방정식의 단순한 해석이 Z > 1/α ≈ 137.036(미세 구조 상수의 역수)에서 전자 궤도에 문제를 일으키며, 중성 원자가 원소 137번을 넘어설 수 없으며 따라서 전자 궤도에 기반한 원소 주기율표가 이 지점에서 깨진다는 점이 지적되었다. 반면 더 엄격한 분석은 유사한 한계를 Z ≈ 168~172로 계산했는데, 이 지점에서 1s 부껍질이 디랙의 바다로 잠수하며, 이 지점을 넘어 존재할 수 없는 것은 중성 원자가 아니라 핵이라는 점을 지적하여 주기율계의 추가 확장에 장애가 되지 않는다고 보았다. 이 임계 원자 번호를 넘어서는 원자는 초임계 원자라고 불린다.
역사적으로 악티늄족을 넘어서는 원소의 존재는 이르면 1895년 덴마크 화학자 율리우스 톰센이 토륨과 우라늄이 32개 원소 주기의 일부를 형성할 것이라고 예측했을 때 처음 제안되었다. 1913년 스웨덴 물리학자 요한네스 뤼드베리는 라돈 다음의 비활성 기체가 원자 번호 118번을 가질 것이라고 예측했으며, 1922년 닐스 보어는 Z = 118인 다음 비활성 기체의 전자 구조를 예측했다. 1969년 글렌 T. 시보그가 8주기를 처음 제안했고, 1971년 프리케가 Z = 172까지의 주기율표를 계산했다. 2010년 페카 퓌쾨의 계산에서도 여러 원소가 예상과 다르게 행동할 수 있다고 지적되었다.
현재 원자 번호 120번을 넘어선 원소의 주기율표 배치에 대한 합의는 없다. 모든 가설적인 원소는 IUPAC 체계적 원소 이름이 부여되며, 원소가 발견되고 확인되어 공식적인 이름이 승인될 때까지 사용된다. 이러한 이름은 일반적으로 문헌에서 사용되지 않고, 대신 원소들은 원자 번호로 호칭된다.
8주기의 첫 두 원소는 원소 119번과 120번인 우누넨늄과 운비닐륨이 될 것으로 예상되며, 각각 알칼리 금속과 알칼리 토금속으로 행동할 것으로 예측된다. 원소 120번을 넘어서면 초악티늄족 계열이 시작될 것으로 예상되며, 이때 8s 전자와 8p₁/₂, 7d₃/₂, 6f, 5g 부껍질이 채워지는 일이 이들 원소의 화학을 결정한다. 5g, 6f, 7d 궤도는 거의 동일한 에너지 준위를 가져야 하며, 원소 160번 영역에서는 9s, 8p₃/₂, 9p₁/₂ 궤도도 에너지적으로 거의 동일해야 한다. 이로 인해 전자 껍질 영역이 서로 섞여 구역 개념이 잘 적용되지 않게 되며, 새로운 화학적 특성이 나타날 것으로 예상된다.
원소 119번과 120번의 합성 시도는 현재 진행 중이다. 원소 119번(우누넨늄)의 합성은 1985년 캘리포니아 버클리에서 처음 시도되었으며, 이후 독일 GSI, 일본 리켄, 러시아 JINR 등에서 계속 시도되고 있다. 원소 120번(운비닐륨)의 합성도 2007년부터 여러 기관에서 시도되었으나 아직 성공하지 못했다. 원소 121번부터 127번까지의 합성 시도도 있었으나 모두 실패했다. 2022년 4월 기준, 운비트륨(Z = 123)을 제외하고 운비셉튬(Z = 127)까지의 모든 원소에 대해 합성이 시도되었으며, 가장 무거운 합성 성공 원소는 2002년의 오가네손이다.
물리적으로 가능한 원소의 수는 알려져 있지 않다. 낮은 추정치에 따르면 주기율표는 안정성의 섬 직후에 끝날 수 있으며, 이는 Z = 126을 중심으로 할 것으로 예상된다. 다른 예측으로는 Z = 128(존 엠슬리), Z = 146(감비르 외), Z = 155(알베르트 카잔) 등이 있다. 주기율표가 알려진 118개 원소를 넘어 얼마나 확장될 수 있는지는 미지수이며, 더 무거운 원소는 점점 더 불안정할 것으로 예측된다.
