Mössbauer Studies of Small Particles of Iron Oxides in Soil

Abstract

A soil of Attica (Greece) has been studied by Mössbauer spectroscopy and magnetization measurements in order to ascertain the nature and form of iron oxides present in it. The room temperature spectra consist of a paramagnetic doublet and a small magnetic sextet. At liquid nitrogen temperature the magnetic component increases considerably at the cost of the paramagnetic component. This behavior is typical of superparamagnetism exhibited by ultrafine magnetic particles. From the values of hyperfine parameters extracted by computer fits of the spectra, the particles can be identified mainly as α-Fe₂O₃. The theory of superparamagnetism, in conjunction with Mössbauer and magnetization data, is discussed in detail. Application of this theory to the data for the clay fraction of the soil leads to the conclusion that the oxide particles have a size distribution with a mean particle diameter of 131 Å and a width of 14 Å.

Résumé

Un sol d’Attique (Grèce) a été étudié par spectroscopie Mössbauer et par des mesures de magnétisation afin de préciser la nature et la forme des oxydes de fer qu’il contient. Les spectres à température ambiante consistent en un doublet paramagnétique et un petit sextuplet magnétique. A la température de l’azote liquide, le composant magnétique augmente considérablement aux dépens du composant paramagnétique. Ce comportement est typique du superparamagnétisme que montrent les particules magnétiques ultra-fines. Grâce aux valeurs des paramètres hyperfins calculés à partir des spectres par des ajustements à l’ordinateur les particules peuvent être identifiées comme étant principalement du α-Fe₂O₃. La théorie du superparamagnétisme est discutée en détail conjointement aux données Mössbauer et de la magnétisation. L’application de cette théorie aux données obtenues pour la fraction argileuse du sol conduit à la conclusion que les particules d’oxyde ont une distribution de taille caractérisée par un diamètre particulaire moyen de 131 Å et une largeur de 14 Å.

Kurzreferat

Ein Boden aus Attika (Griechenland) wurde mit Hilfe von Mössbauer-Spektroskopie und Magnetisierungsmessung untersucht, um Natur und Ausbildung der darin enthaltenen Eisenoxide zu bestimmen. Die bei Raumtemperatur ermittelten Spektren bestehen aus einer paramagnetischen Dublette und einem kteinen magnetischen Sextett. Bei tier Temperatur flüssigen Stickstoffs nimmt die magnetische Komponente auf Kosten der paramagnetischen beträchtlich zu. Dieses Verhalten ist typisch für Superparamagnetismus, wie ihn ultrafeine magnetische Teilchen zeigen. Aus den Hyperfeinstrukturparametern, die durch Computerauswertung der Spektren erhalten wurden, ergibt sich, daß die Teilchen als α-Fe₂O₃ anzusprechen sind. Die Theorie des Superparamagnetismus wird in Verbindung mit den Mössbauer- und Magnetisierungsdaten in ihren Einzelheiten diskutiert. Die Anwendung dieser Theorie auf die an der Tonfraktion des Bodens erhaltenen Ergebnisse führt zu der Schlußfolgerung, daß die Oxidteilchen eine Größenverteilung besitzen, die durch einen mittleren Teilchendurchmesser on 131 Å und eine Dicke von 14 Å gekennzeichnet ist.

Резюме

Посредством спектроскопии Мессбауера и измерения намагниченности изучается землистая масса из Аттика (Греция) для определения характера и форм присутствующих в ней окисей железа. Спектр Мессбауера при комнатной температуре состоит из парамагнитного дублета и небольшого магнитного секстета. При температуре жидкого азота магнитный компонент значительно повышается за счет парамагнитного компонента. Это поведение является типовым для суперпарамагнетизма, проявляемого сверх малыми магнитными частицами. По данным, извлеченным ЭВМ частицы можно идентифицировать главным образом как ±-Ре2O3. Подробно изучается теория супермагнетизма в связи с Мессбауером и данными намагничивания. Применение этой теории по отношению к данным по фракциям глины в земле ведет к заключению, что частицы окиси распределены по размеру со средним диаметром частицы 131 Å, шириной 14 Å.