Tableau périodique étendu

Rien ne permet de préciser le nombre maximum de protons et d'électrons qu'un même atome peut contenir. La limite d'observabilité pratique est généralement estimée à au plus Z = 130[4], dans la mesure où l'existence des atomes superlourds se heurte à la limite de stabilité des noyaux[5]. Cela place la fin du tableau périodique peu après l'une des valeurs proposées pour le dernier îlot de stabilité, centré dans ce cas autour de Z = 126.

Richard Feynman releva en 1948 qu'une interprétation simple de l'équation de Dirac semi-relativiste aboutit à l'impossibilité de représenter les orbitales atomiques lorsque le numéro atomique Z est supérieur à ¹⁄_α ≈ 137, où α est la constante de structure fine : de tels atomes ne pourraient avoir d'orbitale électronique stable pour plus de 137 électrons, ce qui rendrait impossible l'existence d'atomes électriquement neutres au-delà de 137 protons ; l'élément 137 est depuis lors parfois surnommé « feynmanium »[6].

Le modèle de Bohr donne par ailleurs une vitesse v_1s supérieure à la vitesse de la lumière c pour les électrons de la sous-couche 1s dans le cas où Z > 137 :

${\displaystyle v_{1\mathrm {s} }=c\alpha Z\approx {\frac {c}{137.036}}Z}$.

Une étude plus poussée, prenant notamment en compte la taille non nulle du noyau, montre cependant que le nombre critique de protons pour lequel l'énergie de liaison électron-noyau devient supérieure à 2m₀c², où m₀ représente la masse au repos d'un électron ou d'un positron, vaut Z_crit ≈ 173 : dans ce cas, si la sous-couche 1s n'est pas pleine, le champ électrostatique du noyau y crée une paire électron-positron[7] - [8], d'où l'émission d'un positron[9] ; si ce résultat n'écarte pas complètement la possibilité d'observer un jour des atomes comprenant plus de 173 protons, il met en lumière un facteur supplémentaire d'instabilité les concernant.

La synthèse de nouveaux éléments superlourds passe par la maîtrise des techniques de fusion nucléaire. Celles-ci consistent à projeter des noyaux atomiques les uns contre les autres avec suffisamment d'énergie pour former un état transitoire appelé noyau composé, à partir duquel les nucléons des noyaux incidents peuvent se réorganiser en couches nucléaires correspondant à un noyau unique.

Un grand nombre de paramètres doit être pris en compte pour parvenir à produire des nucléides de la 8^e période.

Une réaction de fusion a généralement un rendement d'autant plus élevé qu'elle est asymétrique, c'est-à-dire que le rapport des nombres de masse entre la cible et l'ion utilisé comme projectile est plus élevé. Cela entre en ligne de compte lorsqu'on accélère un ion métallique de la 4^e période sur un actinide de la 7^e période.

Le taux de neutrons dans les noyaux atomiques augmente avec le numéro atomique : le ratio ^N⁄_Z vaut par exemple 1 à 1,2 pour les isotopes stables du néon sur la 2^e période, mais vaut 1,52 pour le bismuth 209 (6^e période) et 1,60 pour le plutonium 244 (7^e période). Les projectiles doivent par conséquent être aussi riches en neutrons que possible, sinon les noyaux produits par fusion seront trop riches en protons et se désintégreront avant de pouvoir être observés. Le calcium 48 est ainsi un projectile de choix, car il est à la fois léger, quasiment stable, et particulièrement riche neutrons, avec un ratio ^N⁄_Z de 1,4 : c'est lui qui a permis la découverte des éléments ₁₁₄Fl, ₁₁₅Mc, ₁₁₆Lv, ₁₁₇Ts et ₁₁₈Og. Des alternatives plus lourdes au ⁴⁸Ca existent, mais sont moins riches en neutrons, par exemple le titane 50 (^N⁄_Z = 1,27), le nickel 64 (^N⁄_Z = 1,29), le zinc 70 (^N⁄_Z = 1,33) et surtout le palladium 110 (^N⁄_Z = 1,39) ; l'utilisation d'ions plus lourds rend cependant la réaction plus symétrique, ce qui réduit sa probabilité de succès.

La double contrainte de conserver une réaction asymétrique et de produire des nucléides riches en neutrons implique d'utiliser des cibles formées d'atomes eux-mêmes de plus en plus lourds. Les cibles utilisées aujourd'hui sont des actinides déjà difficiles à produire en quantité et avec une pureté suffisantes, et qui de surcroît se désintègrent rapidement : par exemple, le berkélium 249 utilisé pour synthétiser l'élément 117 au JINR en 2010 n'était alors produit qu'au laboratoire national d'Oak Ridge et se désintègre avec une période radioactive d'environ 330 jours. Il est par conséquent difficile en pratique de disposer de cibles formées d'atomes beaucoup plus lourds : le fermium 257, par exemple, qui ferait une excellente cible pour tenter la synthèse de l'élément 120 avec le calcium 48, ne peut être produit qu'à raison de quelques picogrammes (10⁻¹² g) par livraison, alors qu'on peut disposer de milligrammes (10⁻³ g) de berkélium 249.

Pour ces raisons, les tentatives de synthèse d'éléments de la 8^e période ont consisté en des fusions chaudes d'ions de titane 50, de chrome 54, de fer 58 ou de nickel 64 sur des cibles en plutonium 242, en curium 248, en berkélium 249 ou en californium 249 :

• élément 119[12] : 50
  22Ti + 249
  97Bk → 299
  119Uue* ;
• élément 120[13] : 54
  24Cr + 248
  96Cm → 302
  120Ubn* ; 50
  22Ti + 249
  98Cf → 302
  120Ubn* ;
• élément 122[14] : 58
  26Fe + 248
  96Cm → 306
  122Ubb* ; 64
  28Ni + 242
  94Pu → 306
  122Ubb*.

Cette configuration réduit la probabilité de succès de l'expérience, mais, en contrepartie, rend la fusion plus froide, ce qui réduit l'énergie d'excitation du noyau composé résultant, lequel aura ainsi tendance à se désintégrer moins vite. Aucune de ces tentatives n'avait cependant été fructueuse en 2016.

Seuls quelques laboratoires dans le monde sont équipés d'infrastructures permettant d'atteindre les sensibilités requises — avec des sections efficaces de l'ordre du femtobarn[15], soit 10⁻⁴³ m², ou encore 10⁻²⁵ nm² — pour la détection de noyaux aussi lourds que ceux de la huitième période. D'une manière générale, la mise en commun des ressources de ces laboratoires est de mise pour parvenir à des résultats probants :

• GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI, à Darmstadt, en Hesse), où ont été synthétisés les éléments 107, 108, 109, 110, 111 et 112 ;
• RIKEN près de Tokyo, au Japon, où a été synthétisé l'élément 113 ;
• Joint Institute for Nuclear Research (JINR, à Doubna, dans l'oblast de Moscou) — un centre de recherche à la pointe dans ce domaine depuis un demi-siècle, dont fait notamment partie le Flerov Laboratory for Nuclear Reactions (FLNR), où ont été synthétisés les éléments 114, 115, 116, 117 et 118 ;
• Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL, à Livermore, en Californie), qui a activement collaboré avec le RIKEN et le JINR (notamment en ce qui concerne les cibles en actinide) pour parvenir à produire les éléments 113 à 118.

En Suisse, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN, canton de Genève), et l'Institut Paul Scherrer (PSI, canton d'Argovie), comptent également parmi les organisations notables dans ce domaine de recherches, par exemple dans la caractérisation des nucléides identifiés. En France, le Grand accélérateur national d'ions lourds (GANIL, en Normandie), a proposé dans les années 2000 une approche différente[16], fondée sur l'accélération d'ions d'uranium 238 sur des cibles en nickel et en germanium pour étudier les propriétés de désintégration des noyaux composés comprenant 120 et 124 protons afin de localiser le prochain nombre magique de protons parmi les différentes valeurs proposées par les théories existantes.