金屬的原子半徑，是金屬晶體中兩個原子的核間距的一半。除銪及鐿反常外，鑭系元素金屬原子半徑從鑭(0.1877nm)到镥(0.1734nm)呈略有縮小的趨勢，這是金屬原子半徑要比離子多一層的緣故。
三價稀土離子的半徑，從鈧到鑭依次增大，這是由于隨電子層的增多，半徑相應增加。稀土離子的半徑與同價的其他金屬離子相比是比較大的。例如，Al3+為0.055nm,Fe3+為0.0671nm,Co3+為0.065nm,而三價稀土離子半徑則為0.085～0.106nm(Sc3+除外),只有三價鄰近元素與T3+的離子半徑和稀土差不多。稀土元素的原子半徑及離子半徑列于表9-3。
鑭到镥這15個稀土元素離子的電子層數(shù)都是5層，但半徑隨著原子序數(shù)增加而減小。這一現(xiàn)象叫做"鑭系收縮"。
鑭系收縮的原因是由于有效核電荷作用，在鑭系元素中，原子序數(shù)加1,就增加1個核電荷和1個電子，新增加的電子不是填充到最外層，而是填充到4f軌道上。但4f電子只能部分屏蔽所增加核電荷(一般認為是85%),這導致核電荷對外層的電子吸引作用相對增加，從而引起原子半徑或離子半徑的縮小。這樣原子序數(shù)越大，半徑就越小，并且是有規(guī)律地減少。
鑭系收縮效應不但影響鑭系元素的離子半徑，而且也影響鑭系后面幾個元素Hf?+、Ta?+和W?+的半徑，使得鋯和鉿、鈮和鉭、鉬和鎢的離子半徑相差不多，化學性質(zhì)相近，從而造成這三對元素彼此之間在分離上的困難。
鑭系收縮的結(jié)果為，三價稀土元素離子半徑從0.1061nm(La3+)縮小到
0.0848nm(Lu3+),共縮小0.0213mm,平均兩個相鄰元素之間縮小0.0015nm。在萃取、離子交換及化學分離等生產(chǎn)工藝中應用的稀土配合物，大多數(shù)都是稀土與氧結(jié)合，電價鍵是主要的結(jié)合力，其強弱與核間距離的平方成反比，所以稀土離子半徑的大小這個幾何因素是決定稀土離子絡(luò)合能力強弱的主要因素之一。稀土離子半徑隨原子序數(shù)增加而收縮，它的絡(luò)合能力則隨原子序數(shù)增加而增強，在生產(chǎn)上可以利用絡(luò)合能力的強弱來分離稀土元素。
由于離子半徑相似，晶體中的稀土離子彼此可以互相取代而呈類質(zhì)同晶現(xiàn)象。釔的離子半徑為0.088nm,和重稀土差不多，介于鈥與鉺之間，所以常與重稀土元素共存于礦物中;鈧的離子半徑為0.068nm,相差較遠，故一般不與稀土礦共存。
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