2025年大學(xué)《天文學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——星際塵埃與氫氣的相互作用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪種物質(zhì)不是星際塵埃的主要組成成分？A.硅酸鹽B.碳質(zhì)顆粒C.水分子D.金屬原子核2.星際塵埃的消光主要是由什么現(xiàn)象引起的？A.散射B.吸收C.反射D.熒光3.21厘米氫線對(duì)應(yīng)于氫原子的哪種躍遷？A.電子從1能級(jí)躍遷到2能級(jí)B.電子從2能級(jí)躍遷到1能級(jí)C.電子從2能級(jí)躍遷到3能級(jí)D.電子從3能級(jí)躍遷到2能級(jí)4.下列哪種觀測(cè)波段最適合探測(cè)星際塵埃？A.紫外線B.可見(jiàn)光C.紅外線D.射電波5.星際磁場(chǎng)對(duì)星際塵埃的主要作用是？A.加熱塵埃B.吸收塵埃C.使塵埃聚集D.使塵埃運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)6.下列哪種過(guò)程不是星際塵埃與氫氣相互作用的輻射相互作用？A.塵埃吸收星光B.塵埃散射星光C.塵埃碰撞氫氣分子D.光致電離氫原子7.星際塵埃的溫度通常在多少開(kāi)爾文左右？A.1000B.10000C.100000D.10000008.下列哪種分子在星際云中含量最豐富？A.氧分子（O2）B.氫分子（H2）C.氮分子（N2）D.二氧化碳分子（CO2）9.星際塵埃對(duì)星際氣體主要的加熱機(jī)制是？A.碰撞加熱B.輻射加熱C.離子加熱D.磁場(chǎng)加熱10.下列哪個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目主要目的是研究星際塵埃與氫氣相互作用對(duì)恒星形成的影響？A.Hubble太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星云B.射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)21厘米氫線C.紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星際塵埃發(fā)射光譜D.質(zhì)譜儀分析星際氣體成分二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在題中的橫線上。）1.星際塵埃的大小通常在______微米到______微米之間。2.氫原子基態(tài)的電子排布式為_(kāi)_____。3.星際塵埃的______使其能夠有效地散射星光，并導(dǎo)致星光的顏色變紅。4.星際氣體的主要成分是______和______。5.塵埃與氣體分子碰撞可以導(dǎo)致______的發(fā)生，從而改變塵埃的溫度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。6.磁場(chǎng)可以束縛星際等離子體，并影響星際塵埃的______。7.星際塵?？梢源呋请H氣體中的______反應(yīng)。8.金屬元素在星際云中的豐度通常比太陽(yáng)系中低______個(gè)數(shù)量級(jí)。9.射電望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到氫原子的______輻射，這是星際氣體密度的重要探針。10.星際塵埃的______是其重要的物理性質(zhì)之一，可以用來(lái)估計(jì)塵埃的初始質(zhì)量。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述星際塵埃的幾種主要類型及其特征。2.解釋什么是星際分子的形成過(guò)程。3.簡(jiǎn)述星際磁場(chǎng)對(duì)星際塵埃的主要影響。4.說(shuō)明觀測(cè)星際塵埃與氫氣相互作用的主要方法及其原理。四、計(jì)算題（每題10分，共20分。請(qǐng)列出計(jì)算步驟，并給出最終答案。）1.假設(shè)一個(gè)星際塵埃顆粒的半徑為0.1微米，其反射率為0.3，試計(jì)算該顆粒對(duì)星光的最大散射效率因子（即散射截面與截面積之比）。已知光速c=3x10^8m/s，普朗克常數(shù)h=6.626x10^-34J·s，塵埃的折射率n=1.5。2.一個(gè)星際云的體積為10^57cm^3，其中氫原子的密度為100cm^-3，塵埃的質(zhì)量比（即塵埃質(zhì)量與氣體質(zhì)量之比）為10^-4。假設(shè)每個(gè)塵埃顆粒的質(zhì)量為1x10^-16g，試估算該星際云中塵埃的總質(zhì)量。五、論述題（10分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入探討星際塵埃與氫氣相互作用對(duì)恒星形成的影響。）試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.C5.D6.C7.B8.B9.B10.D二、填空題1.0.01,0.12.1s22s22p?3.散射4.氫,氦5.能量轉(zhuǎn)移6.運(yùn)動(dòng)軌道7.化學(xué)反應(yīng)8.2-39.21厘米譜線10.光學(xué)性質(zhì)（或顏色、反射率、消光率等）三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：考察對(duì)星際塵埃分類的掌握。根據(jù)成分和形態(tài)，主要可分為硅酸鹽塵埃、碳質(zhì)塵埃（石墨、無(wú)定形碳）、雪球（冰塊包裹塵埃顆粒）。特征包括大小、形狀、化學(xué)成分、光學(xué)性質(zhì)（顏色、反射率、消光率）等。*答案要點(diǎn)：星際塵埃主要類型有硅酸鹽塵埃（呈球狀或橢球狀，富含硅、氧、鎂等元素）、碳質(zhì)塵埃（呈不規(guī)則形狀，富含碳元素，包括石墨和類金剛石的無(wú)定形碳）、雪球（由冰塊包裹塵埃顆粒形成）。不同類型的塵埃具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。2.解析思路：考察對(duì)星際分子形成過(guò)程的了解。涉及基本粒子（質(zhì)子、電子、中性原子）的碰撞、化學(xué)鏈反應(yīng)、分子附著在塵埃表面等過(guò)程。*答案要點(diǎn)：星際分子主要通過(guò)氣體相化學(xué)反應(yīng)形成。過(guò)程包括：宇宙射線或恒星紫外輻射解離分子，產(chǎn)生原子；原子通過(guò)碰撞獲得能量并與其他原子結(jié)合形成分子；或者原子在塵埃表面獲得能量并與表面吸附的原子/分子結(jié)合，隨后脫附形成氣相分子。常見(jiàn)的化學(xué)鏈反應(yīng)涉及自由基。3.解析思路：考察對(duì)磁場(chǎng)作用的理解。磁場(chǎng)可以對(duì)帶電粒子（或受到離子化的塵埃）施加洛倫茲力，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡。磁場(chǎng)還可以與塵埃的磁偶極矩相互作用，影響其能量狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)。*答案要點(diǎn)：磁場(chǎng)主要通過(guò)兩種方式影響星際塵埃：一是對(duì)被離子化或吸附了電荷的塵埃顆粒施加洛倫茲力，使其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并限制其在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)范圍；二是磁場(chǎng)與塵埃自身的磁偶極矩相互作用，可能導(dǎo)致塵埃的加熱或冷卻，并影響其空間分布。4.解析思路：考察對(duì)觀測(cè)方法及其原理的掌握。需要列舉主要的觀測(cè)手段，并說(shuō)明其利用的物理原理，如光學(xué)散射/吸收探測(cè)塵埃，射電21厘米譜線探測(cè)中性氫，紅外探測(cè)塵埃熱輻射等。*答案要點(diǎn)：主要觀測(cè)方法包括：光學(xué)觀測(cè)，利用塵埃對(duì)星光的選擇性散射（導(dǎo)致藍(lán)移）和吸收（產(chǎn)生暗斑或增亮）來(lái)探測(cè)塵埃；紅外觀測(cè)，探測(cè)塵埃被星光加熱后發(fā)出的紅外輻射（主要是熱輻射）；射電觀測(cè)，探測(cè)氫原子的21厘米譜線（中性氫的能級(jí)躍遷）和塵埃的微波輻射；紫外觀測(cè)，探測(cè)電離區(qū)的紫外發(fā)射和星際紫外背景的吸收。原理是基于塵埃和氫氣的不同電磁輻射特性。四、計(jì)算題1.解析思路：計(jì)算散射效率因子Q(λ)=(π*α(λ))/λ2，其中α(λ)是散射截面，λ是波長(zhǎng)。利用瑞利散射公式α(λ)=(8π2NC2)/(3λ?)*(m2*n2-1)2，其中N是粒子數(shù)密度，C是光速，m是塵埃的復(fù)折射率，n是實(shí)部。需要先計(jì)算m，通常m=n+i*k，k是虛部（吸收系數(shù)），可通過(guò)復(fù)折射率模型或經(jīng)驗(yàn)公式估算。由于題目未給k，假設(shè)k=0，即m=n=1.5。然后代入公式計(jì)算。*計(jì)算步驟：*粒子半徑r=0.1μm=1x10??cm。粒子截面積A=πr2=π(1x10??)2cm2。*瑞利散射截面α_R(λ)=(8π2*12*(1.5)?)/(3λ?)=(8π2*5.0625)/(3λ?)cm2。(這里假設(shè)粒子數(shù)為1，單位體積內(nèi)散射截面即α_R)*總散射截面α(λ)≈α_R(λ)（假設(shè)非選擇性散射）。*散射效率因子Q(λ)=α(λ)/A=(8π2*5.0625)/(3λ?*π*(1x10??)2)=(8*5.0625)/(3*(1x10??)2)=133.5/3x101?=44.5x101?=4.45x101?。*（注意：此計(jì)算假設(shè)為理想瑞利散射，未考慮吸收和更復(fù)雜的復(fù)折射率效應(yīng)，且未明確λ，通常需要指定波長(zhǎng)。若按最大散射效率，瑞利散射在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近效率最高，但題目未給具體λ，此為基于公式的一般計(jì)算。）*最終答案：4.45x101?（單位可能為cm2/cm2，無(wú)量綱）2.解析思路：計(jì)算星際云中塵埃的總質(zhì)量?？傎|(zhì)量M_dust=塵埃質(zhì)量比*氣體質(zhì)量M_gas。氣體質(zhì)量M_gas=氣體密度*氣體體積。氣體密度給出為氫原子密度，需要乘以氫氣的平均分子量（約分子量/摩爾質(zhì)量）來(lái)估算氣體質(zhì)量。塵埃顆粒質(zhì)量已知，需要計(jì)算塵埃顆粒數(shù)量N，N=總氣體質(zhì)量/單個(gè)顆粒質(zhì)量。*計(jì)算步驟：*云體積V=10??cm3。*氫原子密度n_H=100cm?3。*氫氣密度n_gas≈n_H/2≈50cm?3（假設(shè)主要成分為H?）。*氣體質(zhì)量M_gas=n_gas*V*(molar_mass_H?/N_A)=50cm?3*10??cm3*(2g/mol/6.022x1023mol?1)≈1.67x1031g。*塵埃質(zhì)量比=10??。*塵?？傎|(zhì)量M_dust=10??*M_gas=10??*1.67x1031g=1.67x102?g。*塵埃顆粒質(zhì)量m_dust=1x10?1?g。*塵埃顆粒數(shù)量N=M_dust/m_dust=(1.67x102?g)/(1x10?1?g)=1.67x10?3。*（此計(jì)算假設(shè)氣體密度均勻，塵埃顆粒均勻分布且不互相遮擋，實(shí)際中可能需要修正）。*最終答案：1.67x102?克五、論述題解析思路：考察對(duì)星際塵埃與氫氣相互作用及其對(duì)恒星形成影響的理解深度和綜合分析能力。需要從多個(gè)角度闡述，包括塵埃對(duì)氣體云的性質(zhì)（密度、溫度、動(dòng)力學(xué)）的影響，以及這些影響如何促進(jìn)或抑制原恒星的形成。*答案要點(diǎn)：*塵埃對(duì)氣體云的加熱作用：塵埃吸收星光（特別是紫外和紅外光）后升溫，并通過(guò)輻射（主要是紅外）將能量傳遞給周圍的氣體，提高氣體溫度。這降低了氣體與塵埃之間的溫度差，減小了氣體密度梯度和壓力梯度，抑制了氣體云的引力坍縮。*塵埃對(duì)氣體云的冷卻作用：塵?？梢酝ㄟ^(guò)輻射冷卻周圍氣體，尤其是在低密度區(qū)域。塵埃表面的化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生冷卻分子，進(jìn)一步降低氣體溫度，促進(jìn)引力坍縮。*塵埃對(duì)氣體云的化學(xué)作用：塵埃表面是許多星際化學(xué)反應(yīng)的有效場(chǎng)所。塵?？梢晕綒怏w分子，降低反應(yīng)活化能，促進(jìn)復(fù)雜有機(jī)分子（如預(yù)分子）的形成。這些分子可以作為“粘合劑”，幫助塵埃顆粒聚集成長(zhǎng)，并可能影響氣體云的化學(xué)演化，進(jìn)而影響后續(xù)恒星和行星的形成物質(zhì)基礎(chǔ)。*塵埃對(duì)氣體云的引力作用：聚集形成的較大塵埃顆粒或塵埃-氣體云團(tuán)可以具有引力效應(yīng)。塵埃云的引力不穩(wěn)定性可以觸發(fā)局部氣體云的坍縮，形成原恒星。同時(shí)，塵埃的引力可以束縛氣體，防止氣體過(guò)度擴(kuò)散，有助于星云的致密化和恒星的形成。