Absorption spectra of actinide compounds

Abstract

From the energy levels of the gaseous ions Ac⁺⁺, Th⁺⁺⁺, and Th⁺⁺, it can safely be extrapolated that the ground electron configuration of all actinide ions with ionic charges at least + 3 contains only 5f-electrons outside the emanation shells. This is further supported by the 5fⁿ → 5f^n-16d transitions observed in Pa(IV), U(III), Np(III) (though their wave numbers are too high to be measured in U(IV) and Np(IV)). The configuration f² has a very characteristic distribution of energy levels between ³H₄ and ³P₂ with ¹S₀ as much higher, isolated level. The absorption spectra of U(IV) complexes and of PuF₆ suggest interelectronic repulsion parameters ∼60 per cent of the values in the corresponding lanthanides, while the Landé factors are about twice as large. This would also explain the recent measurements of Cm(III) complexes, compared to Gd(III). The larger average radius of the 5f-shell causes larger perturbation effects from the ligands than in the lanthanides. The J-values will therefore be distributed between several adjacent, observed energy levels without making the general treatment of the fⁿ-configurations impossible. The variation with oxidation numbers in isoelectronic series are discussed, e.g. U(III) and Np(IV); Pu(III) and AmF₄; and Am(III) and CmF₄. Band positions are predicted in Bk(III) and BkF₄. Finally, the chemical properties of the actinide elements are discussed, and it is emphasized that no necessary connections exist between the presence of f-electrons and constant trivalency. Il est possible, à partir de l'extrapolation des niveaux d'énergie des ions gazeux Ac⁺⁺, Th⁺⁺⁺, et Th⁺⁺, de conclure de façon sûre que la configuration électronique de l'état fondamental de tous les ions des actinides, possédant une charge ionique +3 au moins, contient seulement des électrons 5f en dehors des couches complètes du Radon. Ceci est confirmé par les transitions 5fⁿ → 5f^n-1 6d que l'on observe dans Pa(IV), U(III), Np(III) (mais les nombres d'onde sont trop grands pour être mesurés dans U(IV) et Np(IV)). La configuration f² possède une distribution très caractéristique des niveaux d'énergie entre ³H₄ et ³P₂, avec ¹S₀ en niveau isolé, beaucoup plus haut. Les spectres d'absorption des complexes de U(IV), et de PuF₆, suggèrent des paramètres de répulsion interélectronique de l'ordre de 60 pour cent desvaleurs pour les lanthanides correspondants, tandis que les facteurs de Landé sont environ deux fois plus grands. Ceci expliquerait aussi les mesures récentes faites sur des complexes de Cm(III), comparé à Gd(III). Les effets de perturbation dûs aux groupes coordonnés (“ligands”) sont plus larges que dans les lanthanides à cause de la plus grande valeur du rayon moyen de la couche 5f. Les valeurs de J seront en conséquence réparties entre plusieurs niveaux d'énergie observés adjacents, sans que pour celà une étude générale des configurations fⁿ soit impossible. On discute la variation de la répartition des niveaux d'énergie en fonction du nombre d'oxydation pour des séries isoélectroniques, c'est-à-dire U(III) et Np(IV); Pu(III) et AmF₄; et Am(III) et CmF₄. Des positions de bandes sont prédites pour Bk(III) et BkF₄. Enfin les propriétés chimiques des éléments de la série des actinides sont discutées, et on souligne le fait qu'il n'y a pas nécessairement de rapport entre la présence d'électrons f et une trivalence constante. Aus den Energieniveaus der gasförmigen Ionen Ac⁺⁺, Th⁺⁺⁺ und Th⁺⁺ lässt sich mit beträchtlicher Sicherheit schliessen, dass die Elektronenkonfiguration des Grundzustandes aller Aktiniden-Ionen mit Ionenladungen +3 oder höher ausschliesslich 5f-Elektronen ausserhalb der Radon-Schalen enthält. Dieser Schluss wird weiter erhärtet durch die Übergänge 5fⁿ → 5f^n-1 6d, die in Pa(IV), U(III), Np(III) beobachtet wurden, (während in U(IV) und Np(IV) die Wellenzahlen für eine Messung zu hoch liegen). Die Konfiguration f² zeichnet sich durch eine sehr charakteristische Verteilung der Energieniveaus zwischen ³H₄ und ³P₂ aus, wobei ¹S₀ ein viel höher liegendes isoliertes Niveau ist. Die Absorptionsspektren von U(IV)-Komplexen, sowie von PuF₆ deuten auf interelektronische Abstossungsparameter von etwa 60 Prozent der Werte der entsprechenden Lanthaniden, während die Landé-Faktoren etwa doppelt so gross sind. Hiermit würden sich auch die neueren Messungen von Cm(III)-Komplexen deuten lassen, insbesondere im Vergleich zu Gd(III). Der grössere mittlere Radius der 5f-Schale bedingt stärkere Störeffekte durch die Liganden als bei den Lanthaniden. Die J-Werte werden sich daher über verschiedene benachbarte Energieniveaus verteilen, ohne dass hierdurch die allgemeine Behandlung der fⁿ-Konfigurationen unmöglich würde. Die Änderung mit der Oxydationszahl in isoelektronischen Reihen wird diskutiert, z.B. bei U(III) und Np(IV); Pu(III) und AmF₄; Am(III) und CmF₄. Die Lagen der Banden in Bk(III) und BkF₄ werden vorausgesagt. Schliesslich werden die chemischen Eigenschaften der Aktiniden erörtert; hierbei wird betont, dass zwischen der Anwesenheit von f-Elektronen und einer konstanten Dreiwertigkeit kein notwendiger Zusammenhang zu bestehen braucht.