【为什么彗星头部是绿色的而不是它们的尾巴？意外发现解开90年之谜】
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一个偶然的发现和对光谱扰动的热爱导致了一个有90年历史的谜题的解决方案 。
在一项全球合作中 ， 一组研究人员最近证明了一个有 90 年历史的关于为什么彗星的头部而不是尾部是绿色的理论 。
最近在PNAS上发表的科学解释与分子二碳 (C 2 ) 被阳光吹散的方式有关 。 故事的另一部分在于一个偶然的发现和对光谱扰动的热爱 ， 从最近退休的教授传给了另一代科学家 。
当分子行为不端时
作为麻省理工学院Robert W. Field 实验室的研究生 ， Jun Jiang 博士 '17 正在研究乙炔分子 ， 方法是用高功率频率可调紫外激光器激发它 。 随着乙炔的爆炸 ， 产生的分子之一 ， C 2 ， 从几个高度激发态发射光 。
其中一种高能态 ， 即C 2 的C 1 Π g态 ， 表现出不规则的振动能级结构 ， 并受到另一种神秘电子态的强烈扰动 。 换句话说 ， 江注意到二碳C态的碳-碳键以一种非常不寻常的方式振动 ， 这种方式不容易解释 ， 在某些方面就像一个孩子无缘无故地发脾气 。
彗星 C/2014 Q2 Lovejoy 于 2015 年在亚利桑那州图森上空 。
量子力学的入门课程教授一个模型系统 ， 说明分子在各种情况下应该如何行动或反应 。 “扰动是非常大的偏差 ， 光谱学家经常放弃并将观察到的分子光谱标记为'强烈扰动' ， ”现在是劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究员和该论文的合著者的江说 。
根据菲尔德的说法 ， 即使是物理学家格哈德·赫茨伯格（Gerhard Herzberg） ， 他几乎创造了小分子光谱学的研究 ， 并提出了为什么彗星的尾巴永远不会是绿色的 ， 他通常会在他的研究中将扰动放在一边“以供未来研究” 。
“我的职业生涯开始于处理赫茨伯格的垃圾 ， ”同时也是该论文的合著者的麻省理工学院化学教授菲尔德说 。 Field 对分子“不良行为”的兴趣始于 40 多年前的一氧化碳偏差 。 “当分子行为不端时 ， 它可以带来深刻的洞察力 。 ”
价空穴概念
C2的C态的扰动使研究人员对分子电子结构的了解超出了以前所知 ， 这是量子化学家发明的一个概念 ， 用于描述分子中电子和原子核之间复杂的多体相互作用 。
“在麻省理工学院 ， 我们发现 C2中这些系统性扰动的根源是一种我们称之为‘价空穴电子配置’的新现象 ， ”菲尔德说 。
尽管其化学成分很简单 ， 但二碳具有令人惊讶的复杂电子结构 ， 这在能级模式中表现出强烈的异常 。 这些“光谱扰动”的迹象比其他简单的、教科书式的双原子分子（如 CO、N 2和 O 2）中发现的迹象要多得多和复杂得多 。
“由这些特殊的、出乎意料的稳定价空穴构型引起的扰动深刻地影响了 C 2 的光解离和预解离特性 ， 正如我们在PNAS论文中所展示的 ， 这决定了 C 2分子在被紫外线破坏之前在彗星上存活的时间阳光中的辐射 ， ”菲尔德说 。 “扰动、预解离和光解离是三个光谱奥秘 ， 它们解释了一颗引人注目的彗星头部和尾部之间颜色差异的奥秘 。 ”
这些见解对于解决一个近百年来的难题至关重要 ， 新南威尔士大学的蒂莫西·W·施密特教授和该论文的主要作者正在世界的另一端进行调查 。 得出关于 C 2的激发态C态的类似结论后 ， 施密特联系了菲尔德 ， 导致科学家在历史上第一次观察到这种化学相互作用的诊断细节 ， 这是赫茨伯格在 1930 年代提出的理论 。
将 Humpty 重新组合在一起
在实地研究小组工作了七年后 ， 江学会了接受以好奇心为导向的研究方法 。 “鲍勃总是挑战我们超越对分子应该如何表现的传统期望 。 可以学习美丽的故事 ， ”江说 。
这一发现的故事甚至比 C2更远 。 研究表明价空穴态在二氮中的重要性 ， 但这种态在 N 2中的高能量使得更完整的光谱研究变得困难 。 由于江的意外发现确定了二碳价空穴态的光谱比其他相关分子更容易获得 ， C2可以作为一个模型来理解价空穴态的破坏性影响 。
“扰动打破了常规的 Herzbergian 模式 ， 基于价空洞概念的理论将破碎的部分重新组合在一起 ， ”Jiang说 ， 他目前的工作将这个想法与实现 Humpty Dumpty 童谣中不可能实现的目标进行了比较 。
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