高考申論題
115年
[天文] 天文觀測
第 一 題
📖 題組：
四、氫是星際介質中含量最多的元素，基本上有三種型態：⑴離子氫（H+或 HII）；⑵原子氫（H 或 HI）；⑶分子氫（H2）
四、氫是星際介質中含量最多的元素，基本上有三種型態：⑴離子氫（H+或 HII）；⑵原子氫（H 或 HI）；⑶分子氫（H2）
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
(一)離子氫通常是存在於氫離子區（HII region），天文學家通常是在可見光波段觀察Hα譜線（即氫原子主量子數 n=3 n=2），請問為何觀察游離態的氫要用到氫原子躍遷所發出的譜線？（5 分）
思路引導 VIP
這題的核心概念在於理解「離子態氫（純質子）」本身沒有電子，無法產生光譜線。要解釋為什麼我們看得到 Hα，就必須提到「重組（Recombination）」的物理過程：被紫外光游離的質子與周遭自由電子重新結合，電子逐級躍遷落回基態時，發出包括 Balmer 系的 Hα 發射線。
小題 (二)
(二)天文學家通常觀測氫原子是利用某一特定譜線的輻射，請問這個輻射的名稱為何？其輻射機制為何？（5 分）
思路引導 VIP
看到中性原子氫（HI region）就要立刻聯想到無線電波段的「21公分線（21-cm line）」。解釋其機制時，必須精確點出這屬於「超精細結構躍遷（Hyperfine structure transition）」，也就是質子與電子「自旋（Spin）」方向由平行翻轉為反平行的能量差。
小題 (三)
(三)在溫度很低（約 10 度 K 左右）的分子雲中，天文學家通常利用分子轉動動能之能階躍遷所發射或吸收譜線來觀測，但這個方法卻無法觀測冷氫分子的輻射，其困難在那裡？請問天文學家目前是用什麼方法得知一個分子雲中氫分子的含量？（5 分）
思路引導 VIP
困難點有兩個物理原因：1. 對稱性導致無偶極矩：H2 是同核雙原子分子，沒有永久電偶極矩，故偶極輻射躍遷被禁止。2. 能階間距太大：H2的質量太小，第一轉動激發態需要的溫度遠高於 10 K，冷分子雲中根本無法激發。替代方法：尋找有永久偶極矩的「示蹤分子（Tracer）」，最常見且含量次之的是一氧化碳（CO），再透過經驗轉換因子（X-factor）回推 H2 的質量。