高温下CO分子的振转跃迁光谱

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1、第３３卷，第２期光谱学与光谱分析Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２，ｐｐ３００３０３２０１３年２月ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＦｅｂｒｕａｒｙ，２０１３高温下犆犗分子的振转跃迁光谱齐新华，苏铁，杨富荣，鲍伟义，陈力中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川绵阳６２１０００摘要采用近似方法计算了ＣＯ分子的总配分函数；利用该分子的偶极矩函数和在Ｍｏｒｓｅ近似下的波函数，计算了分子的振转跃迁矩阵元及在常温和高温下的吸收系数。计算结果表明，在常温（２９６Ｋ）和高温下（３０００Ｋ），计算结果与ＨＩＴＲＡＮ

2、数据库和文献值符合的很好，表明对分子总配分函数和振转跃迁矩阵元的计算是可靠的。并首次计算了ＣＯ分子在更高温度（４０００和６０００Ｋ）下的吸收系数。关键词光谱；ＣＯ；总配分函数；振转跃迁矩元；吸收系数中图分类号：Ｏ４３３．８文献标识码：Ａ犇犗犐：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００００５９３（２０１３）０２０３０００４数。由于几乎所有的红外光谱都是在热平衡的条件下观察到引言的，故只需要考察分子在热平衡时在各个不同量子态之间的分布。分子光谱是目前研究分子结构的重要手段之一，不但在１１配分函数的计算环境检测与分析、高分子材料、生物

3、技术、燃烧与火焰及医对双原子分子的总配分函数在乘积近似下可表示为［８］学等领域有着广泛的应用，而且在大气物理学和天体物理学犙＝犙ｖｉｂ×犙ｒｏｔ（１）中有着非常重要的作用。ＣＯ是地球大气层和星际物质中的由玻尔兹曼分布对非谐振子的所有振动态求和，得到振重要组成部分，在各种气体电离的过程中起很大的作用，也动配分函数，即是造成大气污染的主要成分之一。长期以来，人们一直都在犙ｖｉｂ＝∑ｅｘｐ［（－犺犮／犽犜）犌（狏）］（２）［１６］研究，并且越来越重视它。虽然在实验和理论上ＣＯ分子狏式中狏为振动量子数，犺是普朗克常数，犮是真空中的光速，已

4、有大量报道，但是大量分子光谱实验测量及理论计算主要是在常温下［４６］；比较有名的光谱辐射数据库是Ｒｏｔｈｍａｎ犽是玻尔兹曼常数，犜是温度。当犜充分大或犅狏充分小时，等［７］研制的ＨＩＴＲＡＮ分子数据库中最高温度也只能外推到振动转子的转动配分函数可以表示为∞犽犜３０００Ｋ。近年来，随着航空航天技术及天体物理学和大气物犙狉≈（２犑＋１）ｅｘｐ［－犺犮犅狏犑（犑＋１）／犽犜］＝（３）∫０犺犮犅狏理学等学科的快速发展，对地球大气和行星大气分子光谱的式中犑为转动量子数，犅狏是第狏个振动态的转动常数。所以研究提出了更高的要求，需要极端高温下的

5、光谱数据。目对分子第狏个振动态的第犑个转动能级的分子数目为前，分子光谱的实验测量主要在常温和中等高温下进行，对犖３０００Ｋ以上这样极端高温下的光谱信息很难通过实验获犖狏犼＝ｅｘｐ［（－犺犮／犽犜）犌（狏）］（２犑＋１）·犙取，而大部分理论计算也主要针对常温和中等高温。本研究ｅｘｐ［－犺犮犅狏犑（犑＋１）／犽犜］（４）首先计算了分子的配分函数，ＣＯ分子的振转跃迁矩阵元，１２吸收系数的计算首次报道了该分子在４０００和６０００Ｋ下的高温光谱。一旦计算了总配分函数，就可以利用下面的公式计算吸收系数［８］１计算方法３８π２μ＝犖狏′犑′犺ω

6、犅狏′犑′，狏″犑″＝犖狏′犑′犺ω２狘犚狏′犑′，狏″犑″狘＝３犺犮光谱谱线的强度不仅与跃迁几率和频率有关，还与初始８π３（犑）犖狏′犑′犺ω狘犚狏′狏″狘２犔（５）状态中的分子数有关，因此，要从理论上预测强度，除了需２２犑＋１３犺犮要知道跃迁几率之外，还必须知道处在不同初态中的分子式中ω是从低态到高态的跃迁的波数，ｃｍ－１；犔（犑）是Ｈｎｌ收稿日期：２０１２０６０６，修订日期：２０１２０９１８基金项目：国家安全重大基础研究计划项目（５１３４２０２０３）资助作者简介：齐新华，１９７８年生，中国空气动力研究与发展中心助理

7、研究员ｅｍａｉｌ：ｑｘｈ＿７８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ第２期光谱学与光谱分析３０１见文献［１０］。计算时犕［１１］，光谱常数均取自文献Ｌｏｎｄｏｎ因子，对Σ－Σ的振动跃迁，犔（犑）＝犑和犑＋１分别１＝３．０６７对应犘支和犚支；｜犚狏′狏″｜２是不同振动态跃迁矩阵元平方，［９］。对多数计算一般采用实验值，本工作采用计算数值。１３跃迁矩阵元计算２结果及讨论如果分子在其平衡位置上有一偶极矩，那么，一般说来，在核间距改变时，这个偶极矩也将改变。在一级近似下，为验证计算结果的可靠性，首先将２９６和３０００Ｋ下计可以假定偶极矩随着核间距的改变是线

8、性的［９］，即算所得的谱线吸收系数与ＨＩＴＲＡＮ数据库进行了对比，见犕＝犕０＋犕１狓（６）图１和图２。在常温下，计算结果与ＨＩＴＲＡＮ数据库符合得式中犕０是振子在平衡位置上的偶极矩；狓是核间距的改变相当好，且基频与第一泛频相差约两个数