Физики выделяют в каждой оболочке, начиная с L, еще и так называемые подоболочки. Они обозначаются буквами s, p, d и f и тоже имеют определенную емкость. Так, в s-подоболочке не может быть больше двух элементов, в p — шести, в d — десяти и в f — четырнадцати.
Напомним теперь читателю, как происходит заполнение оболочек.
У элементов первого периода таблицы Менделеева заполняется K-оболочка (2 электрона), второго — L (8 электронов). В третьем периоде появляются M-оболочка, но заполняется она не до конца, а лишь до восьми электронов. В четвертом периоде приходит очередь N-оболочки (у калия и кальция). Но уже начиная со скандия очередной электрон поступает в не достроенную ранее M-оболочку. Этот процесс проходит вплоть до цинка, ибо M-оболочка имеет емкость 18 электронов. Поэтому у десяти элементов четвертого периода — от скандия до цинка — внешняя оболочка (N) остается неизменной. Так как у них заполняется d-подоболочка оболочки M, то эти элементы носят иногда название d-элементов (3 d-элементы, так как заполняется третья оболочка). Аналогично в пятом периоде можем выделить 4 d-элементы и т. д.
Здесь можно дать хорошую иллюстрацию того, как на протяжении длинных периодов таблицы Менделеева ход изменения свойств элементов становится иным, нежели в коротких периодах. В коротких (литий — неон, натрий — аргон) каждый элемент довольно резко отличается от своих ближайших соседей. Оно и понятно, так как внешняя электронная оболочка у элементов коротких периодов непрерывно меняется. В длинных же периодах, у d-элементов, внешняя оболочка одна и та же, а очередные электроны поступают в предыдущую. Она, как известно, оказывает уже значительно меньшее влияние на химические свойства. Поэтому разница в свойствах у d-элементов не такая резкая.
Редкоземельные элементы стоят в шестом периоде. У лантана (№ 57) очередной электрон появляется в О-оболочке, поэтому лантан — типичный d-элемент, а у церия (№ 58) следующий электрон попадает даже в третью от края N-оболочку, в подоболочку f, емкостью в 14 электронов. Следовательно, ее формирование закончится у элемента с порядковым номером 71, то есть у лютеция; поэтому элемент № 72 уже не редкоземельный, а аналог циркония, и у него продолжается заполнение 5 d-подоболочки.
Когда был открыт элемент гафний, оказалось, что это так и есть.
Таким образом была разрешена загадка редких земель. Близость их свойств объясняется одинаковостью строения двух внешних оболочек атомов, именно тех, которые оказывают решающее влияние на химические свойства. Поэтому их размещают в таблице Менделеева в третьей группе (а не в четвертой, как предполагал Браунер), в клетке лантана.
Внимательный читатель, наверное, заметил, что, начав разговор о редкоземельных элементах с иттриевой земли, мы в дальнейшем не упоминали об иттрии. Он не входит в редкоземельное семейство в современном его понимании, но по своим свойствам похож на его членов благодаря близкой величине атомного радиуса; в частности, в природе он встречается в одних рудах и минералах с редкоземельными элементами.
Раз уж мы вспомнили о редкоземельных рудах и минералах, то постараемся сами убедиться, такими ли редкими являются 15 элементов периодической системы, как считалось в течение долгого времени.
Действительно, на первых порах были известны лишь единичные минералы, и это давало ученым основание с полным правом употреблять термин «редкие земли». Но в начале нашего столетия количество обнаруженных редкоземельных минералов исчислялось уже несколькими десятками. В двадцатых годах величины кларков (величины распространенностей химических элементов) были пересмотрены советскими учеными В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом и немецким В. М. Гольдшмидтом. Этот пересмотр оказался для редких земель поистине революционным. Цифры распространенностей элементов показали, что лантаноидов в земной коре в 2 раза больше, чем олова, в 10 раз больше, чем свинца, в 320 больше, чем сурьмы, в 1600 больше, чем серебра, в 2500 больше, чем ртути, в 3200 раз больше, чем золота. А ведь все эти элементы издавна широко известны.
Сейчас известно почти 250 минералов, содержащих лантаноиды, и эта цифра, конечно, далеко не предел.
Ясно, что слово «редкие» неприложимо для лантана и его спутников. Правильнее говорить о них как об элементах средней распространенности. Лантаноиды, кроме прометия, обнаружены в спектрах Солнца и многих звезд, причем иногда в весьма значительных количествах. Содержатся редкоземельные металлы и в метеоритах.