К списку программ курсов

 

Цель изучения дисциплины: Развитие у студентов знаний об основных закономерностях образования и структуры атомных и молекулярных спектров и применении этих знаний к анализу спектров астрономических объектов.

Задачи курса: Изучение принципов систематики атомных и молекулярных спектров; обеспечение основы для применения современных методов астрономических наблюдений спектров небесных объектов и их обработки.

Дисциплина “Астроспектроскопия” является необходимой для подготовки современного специалиста по астрофизике.

знать содержание курса и иметь достаточно полное представление о возможностях применения его разделов при наблюдениях и анализе астрономических спектров;

 

 

 

I. Введение (2 часа)

Некоторые положения квантовой механики, лежащие в основе систематики спектров. Стационарные состояния атомной системы и их характеристика с помощью квантовых чисел. Спектральные термы и уровни энергии. Атомная система единиц. Величины, измеряемые в спектроскопи: частота (длина волны) и интенсивность. Понятие о прямой и обратной задаче спектроскопии. Развитие астроспектроскопии: краткие исторические сведения.

II. Систематика спектров атомов (14 часов)

 Принцип Паули и понятие об электронных оболочках. Одноэлектронное приближение. Электронная конфигурация. Эквивалентные электроны. Экспериментальные подтверждения принципов заполнения оболочек: периодическая система элементов Д.И. Менделеева, закон Мозли, сходные типы спектров у атомов одной группы периодической таблицы.

  Спектры атомов с одним оптическим электроном. Щелочные металлы и другие элементы с одним электроном сверх заполненных оболочек. Отсутствие вырождения по l — проникающие орбиты. Поправка экранирования и квантовый дефект. Систематика уровней: cпин-орбитальное взаимодействие и дублетный характер термов, правила отбора, сериальные закономерности. Диаграммы Гротриана. Резонансные дублеты щелочных металлов и сходных с ними ионов, важные для астрофизики (Li I, Na I, Ka I, Mg II, Ca II, Sr II).

 Спектр атома гелия. Особенности системы с двумя электронами. Антисимметричный характер полной волновой функции. Различные приближения при решении квантовомеханической задачи для гелия. Две системы уровней в случае возбуждения одного электрона (парагелий и ортогелий). Четность, правила отбора. Возбуждение двух электронов. Автоионизация. Линии He I, важные для астрофизики.

 Общая схема классификации спектров многоэлектронных атомов. Приближение центрального поля. Нецентральная часть электростатического взаимодействия электронов. Спин-орбитальное взаимодействие. Общие правила сложения моментов. LS, JJ-связи и промежуточные типы. Нахождение термов электронных конфигураций в случае LS связи. Свойства LS-связи: мультиплетное расщепление, статистический вес уровня или терма, чередование мультиплетности, правило интервалов, правила отбора. Генеалогия терма. Нахождение термов для конфигурации из эквивалентных электронов и их дополнительная классификация. Взаимодействие уровней (смещенные, или штрихованные термы).

 Расщепление уровней под действием магнитного и электрического полей. Снятие вырождения по m и расщепление уровней под действием магнитного поля (эффект Зеемана). Общая схема расщепления уровней в слабом поле. Фактор Ланде."Магнитные" и "немагнитные линии". Сильное поле и эффект Пашена – Бака. Измерение магнитных полей на Солнце и звездах по расщеплению спектральных линий. Эффект Штарка: различие действия электрического поля на спектр водорода и других атомов. Линейный и квадратичный эффект Штарка в слабом и сильном поле. Статистические поля в атмосферах звезд и их влияние на наблюдаемые спектры. Уширение и смещение профилей линий, формула Инглиса – Теллера.

III. Систематика спектров двухатомных молекул (12 часов)

   Структура молекулярных спектров.Типы связей в молекулах. Соотношение электронной, колебательной и вращательной энергий. Различия между атомными и молекулярными спектрами. Приближение Борна – Оппенгеймера. Спектральные диапазоны, в которых наблюдаются молекулярные спектры. Эмиссионные и абсорбционные спектры. Особенности техники лабораторных и астрономических наблюдений.

   Вращательные спектры двухатомных молекул. Классификация молекул по типу вращения: линейные (в том числе двухатомные), симметричные волчки, асимметричные волчки, сферические волчки. Момент инерции. Вращательное квантовое число. Вращательная постоянная. Спектр жесткого ротатора и центробежное растяжение. Схема вращательных уровней. Правило отбора. Интенсивности вращательных линий.

 Колебательно-вращательные cпектры. Энергия колебательного движения в приближении гармонического и ангармонического осциллятора. Колебательное квантовое число. Кривая потенциальной энергии. Колебательные постоянные и их определение по спектрам. Основная частота и обертоны. Вращательная структура колебательных полос. Правила отбора. R, P, Q ветви. Распределение интенсивности во вращательных линиях колебательных спектров. Спектры комбинационного рассеяния (рамановские спектры).

 Электронные оболочки двухатомных молекул. Описание электронных оболочек с помощью теории молекулярных орбиталей (МО). Приближение ЛКАО (линейные комбинации атомных орбиталей) на примере простой гомоядерной молекулы H₂. Связывающие и разрыхляющие орбитали. Классификация по симметрии. Квантовые числа электронов в молекуле. Оболочки гетероядерных молекул. Схема нахождения состояний молекулы по электронной конфигурации и по электронным состояниям отдельных атомов.

 Структура электронного спектра двухатомных молекул. Колебательные полосы. Схема Деландра. Относительные интенсивности колебательных полос в электронном переходе — принцип Франка – Кондона. Вращательная структура. Правила отбора. Ветви R,P,Q. Образование кантов полос. Взаимодействие электронного и вращательного движений, мультиплетная структура электронных полос (классификация Гунда). Лямбда-удвоение и мазерные переходы OH. Непрерывные спектры молекул.