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)。     

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.     

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。     

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…     

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     

VO分子2^Δ3/2-1^2Δ3/2电子跃迁P线系发射谱线的研究

本文利用孙卫国课题组建立的能精确计算（预言）某双原子分子电子态P线系发射谱线的物理新公式, 首次研究了VO分子从电子态^2Δ3/2跃迁到电子态1^2Δ3/2的（0, 0）跃迁带中的P线系发射谱线. 获得的研究结果不仅重复了实验上已知的低转动态谱线数据,而且还正确预言了该跃迁带在 实验上难以精确测量的转动量子数J=80.5以内的高振转激发态的P线系发射光谱. 为研究VO分子内部结构提供了重要的物理信息.     

VO分子2△3/2—12△3/2电子跃迁P线系发射谱线的研究

本文利用孙卫国课题组建立的能精确计算(预言)某双原子分子电子态P线系发射谱线的物理新公式,首次研究了VO分子从电子态~2△3/2跃迁到电子态1~2△3/2的(0,0)跃迁带中的P线系发射谱线.获得的研究结果不仅重复了实验上己知的低转动态谱线数据,而且还正确预言了该跃迁带在实验上难以精确测量的转动量子数J=80.5以内的高振转激发态的P线系发射光谱.为研究VO分子内部结构提供了重要的物理信息.     

磷烷1 950～2 480和3 280～3 580 cm-1波段FTIR吸收光谱强度研究

磷烷分子的基频和低泛频吸收谱线强度在对该分子定量检测应用以及天文观测中是基本的参考数据。文章探讨了高分辨傅里叶变换光谱方法研究气体样品吸收线型的基本原理,并通过实验测量以及程序拟合谱线线型,得到了磷烷分子在1950~2480cm-1波段的5个吸收带以及3280~3580cm-1波段的4个吸收带中的1760条谱线线强度,经分析其结果误差在±6%左右。     

1.65μm附近CH_4分子高分辨率吸收光谱研究

采用连续可调谐二极管半导体激光器为探测光源,以可调怀特型长光程多通池(46.36～1158.90m)作为吸收池,采用直接吸收的方法,探测了室温下1.65μm附近CH4分子的高分辨率吸收光谱。在6043.00～6053.72cm-1范围内探测了5组不同压力和光程下的吸收光谱,观测到了259条线新的CH4分子吸收谱线,实验数据用Gaussian线型进行拟合,得到了这些吸收谱线的线强、线位置以及线强的标准偏差值,并对光谱中难以分辨的吸收谱线进行了分析。探测得到的最小谱线线强是4.3×10-27cm-1·(molcule·cm-2)-1,吸收谱线线强大于3.0×10-24cm-1·(mol·cm-2)-1由于吸收饱和而未被处理,同时所测得的光谱也显示出CH4分子在1.65μm附近有非常丰富的弱吸收谱线和复杂的结构。文中所报道的吸收谱线都是HITRAN2004数据库中所未报道的,而且也未见有其他文献报道过。     

CO_2分子4.3μ带谱带模型参数的理论计算

本文研究了CO_2分子4.3μ带谱带模型参数的计算方法,对积分带强度公式进行了修正,基于谱线积分线强度和谱线间隔表达式导出谱带模型参数:平均吸收系数(S/d)和谱线平均密度(1/d)的计算公式。并在很宽的温度范围内系统地计算了CO_2分子4.3μ带的谱带模型参数(S/d)和(1/d)。结果表明,低温下同位数~(13)CO_2对参数(S/d)的影响不可忽略,高温下必须考虑足够多“热带” 的贡献。 文中还应用统计谱带模型计算了各种光学路径下CO_2分子4.3μ带的发射光谱,其结果和实验光谱比较,符合甚好。     

压强对空气/氩气介质阻挡放电中等离子体温度的影响

使用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气的混合气体放电中,利用发射光谱法,研究了电子激发温度和分子振动温度随气体压强的变化关系。通过氩原子763.51 nm(2P₆→1S₅)和772.42 nm(2P₆→1S₃)两条谱线强度比法计算电子激发温度;通过氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线计算氮分子的振动温度;对氮分子离子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进行了测量,以进一步研究电子能量的变化。实验表明,随着压强从20 kPa增大到60 kPa, 电子激发温度减小,分子振动温度减小, 氮分子离子谱线与激发态的氮分子谱线强度之比减小。     

关于X射线荧光光谱中MnKβ1,3谱线位移的探讨

本文研究了带有3d电子的过渡元素锰Kβ1.3发射谱线。采用PW1400型X射线荧光光谱仪测量金属锰及其化合物中MnKβ1,3的谱线相对位置。用简单的分子轨道理论解释了谱线位移的大小和方向。谱线位移与化学键及价态有关,根据谱线位移可以进行价态分析。     

近红外区的光泵钠分子激光振荡

本文报道了以准分子激光泵浦的染料激光激发钠分子,产生由钠分子A~1 sum from u to +态到X~1 sum from g to +态的众多激光输出谱线.当加以谐振腔后,这些谱线的强度可增加一个数量级.