2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際氣體電離過程研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題給出的四個選項中，只有一項是符合題目要求的。）1.在星際介質(zhì)中，導(dǎo)致氣體電離的主要物理過程不包括：(A)宇宙射線的光致電離(B)恒星紫外輻射的光致電離(C)星際塵埃粒子的碰撞電離(D)中性原子之間的碰撞電離2.對于一個處于局部熱動平衡（LTE）狀態(tài)的電離區(qū)，以下哪個物理量主要取決于溫度和密度，而與激發(fā)源強度無關(guān)？(A)氫原子處于n=2能級的電子數(shù)密度(B)氫的21厘米譜線發(fā)射強度(C)電離區(qū)中電子的總數(shù)密度(D)氫原子處于基態(tài)的比例3.以下哪種天體或天體現(xiàn)象通常被認為是一個典型的、由點光源（如恒星）驅(qū)動的電離區(qū)域？(A)行星際分子云(B)星際云(C)HII區(qū)(D)逆行星環(huán)4.當星際氣體云的部分區(qū)域被電離時，未電離的區(qū)域（分子云或中性云）通常表現(xiàn)出：(A)發(fā)射光譜特征(B)對星光產(chǎn)生明顯的散射(C)對特定波長（如21厘米）的電磁波產(chǎn)生吸收(D)強烈的射電脈沖信號5.在討論星際氣體電離過程時，“電離度”這一概念指的是：(A)電離區(qū)氣體溫度與宇宙背景溫度之比(B)電離區(qū)中電子數(shù)密度與總粒子數(shù)密度的比值(C)電離區(qū)氣體密度與標準密度的比值(D)恒星紫外輻射強度與背景輻射強度之比6.以下哪種電離機制主要發(fā)生在密度極高、溫度相對較低的星際介質(zhì)中？(A)光致電離(B)宇宙射線電離(C)碰撞電離(D)離子-中性粒子碰撞電離7.電離區(qū)邊界的形狀和性質(zhì)主要受以下哪個因素的顯著影響？(A)星際磁場強度(B)電離源的光譜能量分布(C)電離區(qū)的電子密度(D)星際塵埃的分布8.觀測到的高頻（如遠紫外）發(fā)射線，對于研究星際氣體電離過程具有重要意義，主要是因為它們可以用來：(A)確定電離區(qū)的空間尺度(B)直接測量電離區(qū)的電子溫度(C)診斷電離區(qū)的電子密度和化學(xué)成分(D)探測星際塵埃的分布9.巴耳末系吸收線在通過電離區(qū)時，其強度隨距離的變化可以用來推斷：(A)電離區(qū)電子密度的分布(B)電離區(qū)重元素的豐度(C)電離區(qū)星際塵埃的含量(D)電離區(qū)恒星的空間運動速度10.對于非LTE條件下的電離區(qū)，以下哪個陳述是正確的？(A)發(fā)射線的強度可以直接反映激發(fā)源的能量(B)原子和離子的分布與局部溫度和密度密切相關(guān)(C)電離度僅由溫度決定(D)觀測到的粒子數(shù)密度比LTE預(yù)測的要低二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上。）1.星際氣體中的主要電離過程包括光致電離、__________電離和__________電離。2.描述電離區(qū)物理狀態(tài)的基本參數(shù)通常包括電子密度、溫度和__________。3.當電離區(qū)膨脹時，其內(nèi)部的電離度通常會__________（填“增加”、“減少”或“不變”）。4.氫原子從n=3能級躍遷到n=2能級所發(fā)射的光子屬于__________系列。5.21厘米譜線對應(yīng)于氫原子從__________態(tài)躍遷到__________態(tài)所產(chǎn)生的輻射。6.宇宙射線在高能電離星際氣體時，除了直接電離外，還可以通過__________過程間接產(chǎn)生影響。7.估計一個電離區(qū)的電子溫度，除了可以利用發(fā)射線輪廓外，還可以考慮其與__________的關(guān)系。8.在星際介質(zhì)中，__________是主要的紫外輻射源，對低密度氣體的電離起主導(dǎo)作用。9.如果一個電離區(qū)的觀測數(shù)據(jù)符合LTE條件，那么我們可以認為其內(nèi)部__________（填“滿足”或“不滿足”）能量局部守恒。10.電離區(qū)的“幾何半徑”通常是指__________的范圍。三、名詞解釋（每小題3分，共15分。請給出以下名詞的精確定義。）1.電離度2.局部熱動平衡(LTE)3.HII區(qū)4.光致電離5.碰撞電離四、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題。）1.簡述宇宙射線在星際氣體電離過程中可能扮演的角色。2.解釋為什么分子云通常位于電離區(qū)的“陰影”之中。3.簡要說明如何利用發(fā)射線的強度隨距離的變化來估計電離區(qū)的電子密度分布。4.為什么說觀測電離區(qū)的譜線輪廓對于判斷其是否處于LTE狀態(tài)非常重要？五、論述題（每小題10分，共30分。請就下列問題展開論述。）1.試討論影響星際氣體電離區(qū)大小的主要因素有哪些，并說明它們是如何影響電離區(qū)邊界的。2.論述為什么對星際氣體電離過程的研究對于理解恒星和星系的形成演化具有重要意義。3.假設(shè)我們觀測到一個正在膨脹的電離區(qū)，請討論在這個過程中，其內(nèi)部可能發(fā)生的物理變化（如電子密度、溫度、電離度等）以及觀測到的譜線特征可能如何隨之改變。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.B6.C7.B8.C9.A10.B二、填空題1.宇宙射線；粒子撞擊2.化學(xué)組成3.減少4.巴耳末5.激發(fā)；基6.蓄電池效應(yīng)（或：次級電離）7.等離子體參數(shù)（或：發(fā)射線的線寬、躍遷概率）8.恒星9.滿足10.光學(xué)?。ɑ颍簬缀伍_放）的區(qū)域三、名詞解釋1.電離度：指電離區(qū)內(nèi)被電離的粒子數(shù)（通常是電子數(shù)）占總粒子數(shù)的比例。2.局部熱動平衡(LTE)：一種近似狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，粒子的分布遵循麥克斯韋速度分布，并且輻射與粒子處于熱平衡，即發(fā)射線的強度僅由溫度決定。3.HII區(qū)：指被恒星紫外輻射電離的區(qū)域，其中氫主要以H?離子的形式存在，呈現(xiàn)出發(fā)射光譜特征。4.光致電離：指高能光子（通常是紫外光子）將其能量傳遞給中性原子，使其電離成離子和自由電子的過程。5.碰撞電離：指高能帶電粒子（如電子、離子或宇宙射線粒子）與中性原子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給中性原子使其電離的過程。四、簡答題1.簡述宇宙射線在星際氣體電離過程中可能扮演的角色。解析思路：宇宙射線是高能帶電粒子流。它們可以通過直接碰撞將能量傳遞給中性原子使其電離（碰撞電離），也可以通過產(chǎn)生次級粒子（如π介子衰變產(chǎn)生的正電子和μ子）間接電離星際氣體（蓄電池效應(yīng)）。宇宙射線在高密度云的邊緣或作為主要的電離劑在高密度區(qū)域起作用。2.解釋為什么分子云通常位于電離區(qū)的“陰影”之中。解析思路：分子云由密集的中性氣體（主要是H?）組成，其中塵埃顆粒含量高。恒星紫外輻射是主要的電離劑，但能量會被塵埃顆粒強烈吸收。吸收了紫外輻射的塵埃會使得其后的氣體無法被有效電離，形成一個相對于電離源而言的“陰影”區(qū)域。分子云因其高密度和塵埃含量，更容易形成這種陰影。3.簡要說明如何利用發(fā)射線的強度隨距離的變化來估計電離區(qū)的電子密度分布。解析思路：電離區(qū)的強度隨距離的變化受到兩個主要因素的調(diào)制：一是電離區(qū)本身的擴展（光學(xué)厚度效應(yīng)）；二是隨著距離增加，來自內(nèi)部不同區(qū)域的輻射傳播了不同的距離，經(jīng)歷了不同的電子密度。通過分析特定發(fā)射線強度隨距離的變化曲線（例如，使用帕邢-博德曲線或更復(fù)雜模型），可以反推電離區(qū)內(nèi)部的電子密度分布。4.為什么說觀測電離區(qū)的譜線輪廓對于判斷其是否處于LTE狀態(tài)非常重要？解析思路：在LTE狀態(tài)下，譜線的強度僅由溫度決定，輪廓相對簡單。如果譜線輪廓偏離了LTE預(yù)測的形狀（例如，存在顯著的發(fā)射線翼、非高斯線型），則表明系統(tǒng)偏離了LTE，可能存在不透明性（導(dǎo)致光學(xué)厚度效應(yīng)）、非熱平衡過程或粒子分布與溫度分布不一致。因此，通過觀測譜線輪廓可以診斷系統(tǒng)是否滿足LTE條件。五、論述題1.試討論影響星際氣體電離區(qū)大小的主要因素有哪些，并說明它們是如何影響電離區(qū)邊界的。解析思路：主要因素包括：1）電離源強度：更強的紫外輻射源能更快地電離前方的氣體，導(dǎo)致更大的電離區(qū)半徑。2）電離源的光譜能量分布（SED）：不同波段的輻射對應(yīng)不同的電離能力，SED決定了電離效率隨距離的變化，從而影響邊界形狀。3）星際介質(zhì)密度：氣體密度越高，電離所需的輻射能量越大，電離前沿的推進速度越慢，導(dǎo)致電離區(qū)半徑越小。4）星際磁場：磁場可以約束帶電粒子（包括電子），影響其能量損失和擴散，從而改變電離區(qū)的形狀和大小，尤其對磁場較強的區(qū)域。這些因素共同決定了電離區(qū)邊界的位置和形狀。2.論述為什么對星際氣體電離過程的研究對于理解恒星和星系的形成演化具有重要意義。解析思路：研究電離過程有助于我們：1）了解恒星（特別是早型星）的物理性質(zhì)（如紫外輸出、壽命），因為它們是主要的電離源。2）揭示星際介質(zhì)的組成和狀態(tài)（如電子密度、溫度、化學(xué)豐度），因為電離過程與這些參數(shù)密切相關(guān)。3）確定恒星和星云的空間分布及相互作用，因為電離區(qū)與恒星形成區(qū)緊密相連。4）提供觀測電離區(qū)（HII區(qū)）作為“實驗室”來檢驗等離子體物理和輻射傳輸理論。5）理解星云的演化歷史，因為電離過程是星云從不透明分子云向透明電離區(qū)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵驅(qū)動力，也影響著恒星形成的過程和效率。最終，對電離過程的理解有助于構(gòu)建恒星形成和星系構(gòu)建的整體圖像。3.假設(shè)我們觀測到一個正在膨脹的電離區(qū)，請討論在這個過程中，其內(nèi)部可能發(fā)生的物理變化（如電子密度、溫度、電離度等）以及觀測到的譜線特征可能如何隨之改變。解析思路：膨脹過程中：1）電子密度：由于膨脹，氣體粒子被稀釋，電子密度隨時間（或距離）增加而降低。2）溫度：膨脹通常伴隨著冷卻，除非有外部能量持續(xù)注入，否則電子溫度可能會下降。3）電離度：膨脹使得氣體與電離源的距離增加，受電離輻