[论文解读] Low energy H+CO scattering revisited: CO rotational excitation with new potential surfaces

Benjamin C. Shepler, Benhui Yang+7 more|ArXiv.org|Sep 18, 2007

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences参考文献 29被引用 22

一句话总结

本研究利用新计算的从头算势能面（CCSD(T) 和 MRCI）重新考察了低能 H+CO 散射问题，以解决旋转激发截面中存在的一对矛盾。与先前使用 WKS 势能面的研究结果相反，新势能面显示出强烈的偶数 ΔJ 倾向性，且 0→1 跃迁被抑制，表明 H-CO 碰撞在激发 CO 方面的效果低于以往预期，验证了早期关于 H2 在稀疏星际介质中占主导地位的天体物理假设。

ABSTRACT

A recent modeling study of brightness ratios for CO rotational transitions in gas typical of the diffuse ISM by Liszt found the role of H collisions to be more important than previously assumed. This conclusion was based on quantum scattering calculations using the so-called WKS potential energy surface (PES) which reported a large cross section for the important 0->1 rotational transition. New close-coupling (CC) rigid-rotor calculations for CO(v=0,J=0) excitation by H are performed on four different PESs. Two of the PESs are obtained in this work using state-of-the-art quantum chemistry techniques at the CCSD(T) and MRCI levels of theory. Cross sections for the J=0->1, as well as other odd Delta J, transitions are significantly suppressed compared to even Delta J transitions in thermal energy CC calculations using the CCSD(T) and MRCI surfaces. This is consistent with a expected even Delta J propensity and in contrast to CC calculations using the earlier WKS PES which predict a dominating 0->1 transition. The current results suggest that the original astrophysical assumption that excitation of CO by H_2 dominates the kinetics of CO in diffuse ISM gas is likely to remain valid.

研究动机与目标

• 解决先前量子散射计算中显示大 0→1 截面（使用 WKS PES）与 H-CO 散射中预期的偶数 ΔJ 倾向性之间的矛盾。
• 计算适用于 H-CO 系统的新型高阶从头算势能面（CCSD(T) 和 MRCI），并改进其长程行为。
• 检验旋转激发截面差异是否源于 WKS 势能面长程各向异性的不准确。
• 重新评估 H 碰撞在稀疏星际介质（ISM）环境中 CO 旋转激发中的作用。
• 验证或修正 Liszt（2006）提出的 H 碰撞显著影响 CO 旋转布居的天体物理结论。

提出的方法

• 对 CO(v=0, J=0) 在热能下被 H 激发的体系执行闭耦合（CC）刚性转子量子散射计算。
• 使用四种不同的势能面（PESs）：两种新计算的从头算表面（CCSD(T) 和 MRCI）以及两种现有表面（BBH 和 WKS）。
• 利用 PES 的勒让德展开计算 ΔJ = 1, 2, 3 跃迁的态-态旋转激发截面，重点关注 λ = |ΔJ| 耦合项。
• 分析 PES 的长程行为与各向异性，特别是 λ = 1 成分，以识别导致截面差异的关键因素。
• 比较不同 PES 下的截面，以确定 WKS 表面中异常 0→1 跃迁的根源。
• 对 J=1 和 J=2 激发进行额外计算，以检验 ΔJ=1 异常在不同转动态下的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低碰撞能量下，H-CO 体系是否表现出如同核分子长程相互作用所预期的偶数 ΔJ 倾向性？
• RQ2 为何先前使用 WKS PES 的计算预测了较大的 0→1 跃迁截面，与 BBH PES 观测到的偶数 ΔJ 倾向性相矛盾？
• RQ3 势能面长程各向异性的精细细节如何影响低能非弹性散射截面？
• RQ4 新计算的从头算 PES（CCSD(T) 和 MRCI）在多大程度上解决了 WKS 与 BBH 结果之间的差异？
• RQ5 在稀疏 ISM 中，H 碰撞的 0→1 截面是否仍远小于 H2 碰撞，如先前假设的那样？

主要发现

• 使用新 CCSD(T) 和 MRCI PES 计算的 0→1 旋转激发截面被抑制，其量级与 BBH PES 计算结果相当，与 WKS PES 的预测截然不同。
• 新势能面再现了预期的偶数 ΔJ 倾向性，证实了低能 H-CO 散射中物理预期的正确性。
• WKS PES 中异常大的 0→1 截面源于其独特的长程行为及增强的 λ=1 各向异性成分，该成分在更靠近势垒处达到峰值并衰减更慢。
• WKS PES 的 λ=1 成分是导致 ΔJ=1 跃迁被过度放大的原因，其长程各向异性驱动了散射结果的差异。
• H-CO 碰撞的 0→1 截面远小于以往所声称的值，与 Chu & Dalgarno（1975）和 Green & Thaddeus（1976）的早期研究结果一致。
• 结果否定了天体物理结论中关于 H 碰撞显著改变稀疏 ISM 中 CO 旋转布居的观点，重申了 H2 和 He 在 CO 激发动力学中的主导地位。