星际分子及其谱线

介绍了星际分子及其谱线的研究历史和现状,分析了如何从分子谱线探索恒星形成区的物理化学性质,简述了探测星际分子谱线的大型射电望远镜.     

年轻恒星形成过程的分子谱线诊断

恒星是宇宙的基本天体,理解恒星的起源和早期演化是天体物理最有举的课题之一,目前了解的恒星形成的一个基本图象是,恒星是由一个足够大质量的星际分子气体云在其其自引力作用下塌缩而形成。在早期塌缩过程中形成一颗原恒星（胚胎）,并且伴随该原恒星的吸积盘,原恒星吸积星际介质中的分子物质,通过吸积盘转移到原恒星表面,原恒星的质量随着增大。在吸积过程中也同时伴随物质向外的剧烈喷发,由于盘的存在,这种喷发通常沿垂直于盘的方向进行,出现双极的空间分布。在天文观测上,一种典型的表现是分子气体的外向流,观测表现为从原恒星双极的红蓝移气体运动^[1]。由于恒星形成了星际分子中,因此,对星际分子的谱线探测是研究恒星形成的强有力手段,现在已经发现和证认的星际分子总数有一百多种,其中丰富度最高的气体是H2。在所有的星际分子中,丰度仅次于H2的CO分子的转动跃迁谱易激发,相对于星际介质的不透明度小,观测上易于实现,因此,CO分子就成为探索原恒星形成的有力探针,在毫米波段出现的J＝1－0和J＝2－1跃迁变线以及CO同位素的谱线是最常使用的观测探针,八十年代以来又陆续发现了环形分子SiC2,C3H,C3H2及含磷分子PN和CN等,给宇宙中有机世界的探测提供了丰富的线索。我们对恒形成区内存在的低温原恒星天体进行毫米 波射电谱线观测,测量该原恒星周围分子气体的分布,其物理化学参数,以及速度场分布。根据这些测量结果并运用成熟的数量方法,分析正在发生的物理化学过程,特别是原恒星质量外流的过程。根据观测分析结果得出所观测天体的形成和演化状况。     

分子天文学和原子、分子物理学

自从1963年在18cm宇宙射电谱发现OH,1968年在1.3cm发现NH_3,在1.4cm发现H_2O以来,至1984年末,已在微波范围内探测到1842条谱线(Lovas,1985;唐源等,1982),58种星际和拱星分子样品(见表1,Lovas,1985;曾琴,1980)。     

碘激光的大气衰减特性

碘激光波长处在大气微窗口，水汽分子的吸收是碘激光在大气中传输时衰减的主要原因。利用HITRAN数据库，计算了碘激光波长模式的大气衰减情况。利用高分辨串光谱实验系统，获得了1．315μm附近的谱线参量。在我国，由南向北，由夏到冬，水汽浓度逐渐减少，水汽分子的吸收率递减。碘激光有6条超精细谱线，单一最强线频率的碘激光的大气分子吸收比多谱线的碘激光小，更有利于大气传输。在中纬度夏季，单一最强线垂直向上全程的大气分子吸收率与多谱线碘激光水平传输1km相当，为9．0％。碘激光垂直向上传输比海平面水平传输受大气影响小。     

斯塔克调制—电旋转激光光谱技术及其应用

采用斯塔克调制电旋转激光光谱技术将由偶然简并能级跃迁产生的电旋转信号从非简并能级跃迁中分离出来，因而简化了转动量子态的跃迁谱线，减少了谱线重叠现象，反映了分子能级受偶然简并斯塔克相互作用以及电四极相互作用的特性，非常适合那些转动谱线密集，微扰严重的多原子分子的光谱测量与分析。本文既给出了这种光谱技术的半经典理论模型，又运用微扰理论解释了用该技术所测的ＮＯ２分子的转动光谱的形成原因和它们的主要特征。     

SPECTRAL SIMULATION TECHNIQUE AND ITS APPLICATION TO HIGH-RESOLUTION LMR SPECTRA OF NITRIC OXIDE

LMR(Laser Magnetic Resonance)光谱技术采用磁场扫描及磁场调制获得顺磁分子吸收谱线，其谱线具有Voigt线型及各不相同的磁场线宽.本文考虑线型理论模型和实验条件，提出了一种实现LMR谱精密仿真的方法，并设计了相应仿真计算程序.对     

钠分子高位态(2~1Π_g)有关振转能级动力学参数的测定

用共振多光子电离光谱技术，检测钠分子Ｘ１Σ＋ｇ→２１Πｇ在１６５７４．５ｃｍ－１～１６５９０．５ｃｍ－１之间的共振电离信号激发谱，根据有关分子常数和德哈姆展开式，标识了其中三条谱线。借助于电离流时间衰减曲线，测量得出了上述三条谱线对应的振动能级的动力学参数     

精确预言双原子分子Q线系高振转激发态的跃迁谱线

用多重差分的方法,从双原子分子跃迁谱线的普遍表达式出发,已经建立起了预言双原子分子P线系高激发振转跃迁谱线的解析物理公式。采用同样的方法,充分利用现有实验条件下测定的部分振转跃迁谱线数据,文章建立了预言双原子分子Q线系高激发振转跃迁谱线的物理公式。使用该公式和一组经过物理筛选的(15条)精确的实验跃迁谱线,研究了IrN分子A1Π—X1Σ+跃迁系统中(4,1),(3,1)跃迁带的Q支发射光谱。结果表明,该公式不仅很好地重复了所有已知的实验光谱数据,且正确预言了实验没有获得的很多高转动量子态的未知发射谱线,从而提供了一种新的预言高转动量子态的未知跃迁谱线的物理方法。     

基于分子转-振光谱精细结构的火焰温度遥测方法

燃烧火焰温度是固体推进剂等重要参数,本文研究了基于分子转-振光谱精细结构的火焰温度遥测方法.根据分子转-振光谱线的展宽机制,研究了分子谱线线型.结合朗伯-比耳吸收定律,去除谱线中心受大气低温气体吸收影响较大的数据点后,利用谱线两翼的数据点进行谱线线型拟合,利用分子转-振光谱精细结构温度遥测方法将经拟合修正后数据反演火焰...     

应用于FTIR气体监测的HITRAN数据库分子标准吸收截面计算方法研究

根据HITRAN数据库中分子吸收谱线的积分线强和一些谱线相关参数(中心位置、压力展宽半宽度、温度依赖系数等),研究了应用于FTIR气体监测的HITRAN数据库分子标准吸收截面计算方法,主要包括线强温度修正,谱线展宽,谱线卷积,逐线积分和数值算法.以甲烷为例给出采用矩形(Boxcar)和三角(Triangular)两种截断函数得到的1cm-1分辨率下甲烷分子标准吸收截面数据.     

钠分子高位态（2^1Пg）有关振转能级动力学参数的测定

用共振多光子电离光谱技术，检测钠分子Ｘ＾１∑＾＋ｇ→２′Пｇ在１６５７４．５ｃｍ＾－１～１６５９０．５ｃｍ＾－１之间的共振电离信号激发谱，根据有关分子常数和德哈姆展开式，标识了其中三条谱线，借助于电流时间衰减曲线，测量得出上述三条谱线对应的振动能级的动力学参数。     

新发现640nm波段内碘-127,碘-129分子的超精细结构谱线

近年来,在法国Bennett和Cerez以及在西德赵克功、Glaser和Helmcke研究了利用氦3-氖20激光辐射的612nm,630nm和640nm 波段的碘分子超精细结构谱线.Bennett等人首先发现了在612nm波段碘-127分子R(47)9-2的21条超精细结构谱线.赵克功等人首先发现了在612nm波段内碘-129分子P(110)10-2的28条超精细结构谱线。由于赵克功等人精密地测量了超精细结构谱线的间隔,标准误差仅为 ±30kHZ,所以在分类计算中,对碘分子常数进行了较好的修正,使得理论计算与测量结果很好的一致.利用他们发现的谱线作为对612nm氦3-氖20激光的稳频参考谱线,这些谱线的波…     

狭缝微放电等离子体参数的光谱测量

利用平行管水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气混合气体中,得到了狭缝微放电等离子体。利用发射光谱法,研究了此放电中分子振动温度、分子转动温度和电子的平均能量随气体压强的变化。通过氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)的发射谱线计算了氮分子的振动温度;利用氮分子离子(N2+)的第一负带系(B2Σu+→X2Σg+)的发射谱线计算了氮分子的转动温度;测量了氮分子离子391.4 nm和激发态的氮分子337.1 nm两条发射谱线的相对强度之比,研究了电子能量的变化。结果表明,当压强从60 kPa增大到100kPa,分子振动温度及分子转动温度均减小,氮分子离子谱线与激发态的氮分子谱线的强度之比亦减小。     

基于HITRAN数据库的深海甲烷辐射光谱仿真研究

研发能够精确、实时、原位获取热液甲烷数据的深海甲烷传感器对深海研究具有非常重要的意义。前期研制的两款深海甲烷光学成像干涉系统,均利用甲烷辐射光谱开展甲烷状态参数探测和反演。首先,以分子光谱辐射理论为基础,建立了分子辐射光谱与浓度、温度、压强的理论关系式,结合深海高压环境特点,建立了基于Lorentz线型的深海分子辐射模型,该模型为利用光谱法定量反演分子浓度、温度、压强等状态参数提供理论依据,同时为深海分子光谱仿真提供有力工具。接着,借助HITRAN分子光谱数据库提供的分子基本谱线参数,挑选出甲烷成像干涉系统的光源谱线。对比CH₄分子与CO₂, H₂S, H₂O等分子的特征吸收谱线,在5 990～6 150 cm-1波段范围内,CH₄谱线强度比CO₂, H₂S, H₂O等三种干扰分子的谱线强度约高2～3个数量级,且此波段内甲烷六条有效谱线分布均匀,谱线间距皆约为2～3 nm,非常适合采用光谱法进行分子状态参数探测,因此选择谱线干扰较弱、谱线分布均匀、谱线间距适中的甲烷六条谱线(1 640.37, 1 642.91, 1 645.56, 1 648.23, 1 650.96和1 653.72 nm)作为甲烷成像干涉探测系统的目标光源谱线。最后,基于深海分子辐射模型和HITRAN数据库的甲烷分子基本谱线参数,人工合成了甲烷任意浓度,任意温度和任意压强的辐射光谱数据,并分析了甲烷辐射光谱随浓度、温度和压强的变化特征。对于单一中心谱线,甲烷分子辐亮度随着浓度的升高而线性增大,随着温度的升高而非线性增大,随着压强的升高而非线性减小。对于全波段谱线,甲烷辐射光谱的全线宽随着浓度、温度的升高而变宽,随着压强的升高而变窄。建立的深海甲烷辐射光谱理论和仿真分析结果,可以为基于光谱法的海洋原位甲烷传感器的研制和数据反演提供数据支撑和理论依据。     

塞曼调制磁旋转激光光谱方法

首次在可见光波段采用塞曼调制磁旋转激光光谱技术有效地将磁旋转信号（ｎ＋，－ｎ－）从激光本底以及高阶磁旋转信号中分离出来，因而有非常高的测量灵敏度与信噪比以及无吸收本底，同时又可以抑制高转动量子态的跃迁谱线，减少谱线重叠现象，非常适合许多自由基分子的测量。文中给出了这种光谱技术的理论分析，并以ＮＯ２分子作为检验对象，由理论模拟计算所得谱线的强度，线型和位相与实测结果符合较好，因此也可利用这种光谱方法     

氮分子B3Πg激发态的光谱研究

在较低气压(4Torr)条件下采用直流辉光放电激发氮分子气体,得到了氮分子放电等离子体在320～470nm范围内的发射谱,其形状为一等间隔的谱线序列,并沿长波方向谱线强度逐渐变小。通过计算分析对谱线进行了标定,确定该组谱线是由处于C^3Πg激发态低振动能级的氮分子向B^3Πg态不同振动能级的辐射跃迁所产生;在此基础上计算出氮分子B^3Πg态的振动频率为1738．50cm^-1。结合相关的能级参数计算了C^3Πg(v=0)→B^3Πg(v″=0～5)之间的Frank-Condon跃迁因子,实验所得的谱线强度与之符合得很好。     

VN分子R线系跃迁结构的研究与分析

本文借助孙卫国课题组建立的能精确计算双原子分子R线系发射谱线的物理公式,利用实验上获得的低振动态跃迁谱线数据研究了电极材料VN分子电子态f¹Φ–a¹Δ以及电子态d¹∑⁺–X³Δ₁等跃迁体系的（0,0）跃迁带的R线系发射谱线. 从理论上预言了实验上难以获得的该跃迁带R线系高振转激发态的跃迁结构,为急需VN分子内部结构的其他研究领域提供了重要的结构信息. 从这些公式出发,我们定义了表征实验测定谱线对新谱线的贡献度C（contribution）参数,进一步分析了高激发振转跃迁谱线的相互依赖关系,结果表明该物理公式不仅很好地复现了已知的实验数据,正确地预言了实验未能测定的高激发振转跃迁谱线,而且还能了解不同实验谱线对新谱线的贡献程度,基于这些贡献度,实验学家可以将有限的资源更好地进行分配,重点研究那些贡献度大的振转跃迁谱线. 关键词： 双原子分子 跃迁谱线 贡献度 VN     

CO电子基态P线系跃迁谱线的理论研究

基于微分的思想,结合经典的双原子分子跃迁谱线表达式,提出了预言双原子分子P线系高激发振-转跃迁谱线的新解析物理公式.对于某分子电子体系的某一P支跃迁带,利用实验上获得的一组(15条)精确的跃迁谱线和该跃迁带对应的上下振动态的转动常数(B_υ',B_υ″)的精确数据,该公式不仅可以精确地重复已知的实验跃迁谱线,而且还能预测出实验上难以获得的更高激发态的跃迁谱线数据.利用该公式,研究了CO分子电子基态的(2,0)振-转跃迁带的< 关键词： 双原子分子 发射光谱 P线系')" href="#">P线系 CO     

甲烷分子基频谱带谱线强度的计算

此文用代数张量法导出甲烷分子两个基频谱带的转动跃迁矩阵元，对这两个谱带的谱线强度进行了计算和比较，给出满意的结果。     

高分辨分子吸收光谱中的波长校准方法

本文提出高分辨分子吸收光谱中，以碘分子谱作为参考标准的波长校准方法，编制了以人机交互方式自动完成波长校准的软件，并应用于16 422-17 896cm^-1可见光波段范围内的N2^ 分子离子的高分辨吸收谱线的波长校准，结果表明其绝对准确度可达0.006cm^-1。