原子衝突学会誌 2013 年第 10 巻第 6 号
Journal of atomic collision research, vol. 10, issue 6, 2013.

しょうとつ

原子衝突学会 2013 年 11 月 15 日発行
http://www.atomiccollision.jp/

原子衝突学会賛助会員(五十音順)
アイオーピー・パブリッシング・リミテッド（IOP英国物理学会出版局）

http://journals.iop.org/

アステック株式会社

http://www.astechcorp.co.jp/

アドキャップバキュームテクノロジー株式会社

http://www.adcap-vacuum.com

有限会社

イーオーアール

http://www.eor.jp/

Electronics Optics Research Ltd.
株式会社 オプティマ

http://www.optimacorp.co.jp/

カクタス・コミュニケーションズ株式会社

http://www.editage.jp
http://www.cactus.co.jp

キャンベラジャパン株式会社

http://www.canberra.com/jp/

クリムゾン インタラクティブ プライベート リミテッド

株式会社 サイエンス ラボラトリーズ

http://www.enago.jp/
http://ulatus.jp/
http://www.voxtab.jp /http://www.scilab.co.jp/151真空光学株式会社

http://www.shinku-kogaku.co.jp/

スペクトラ・フィジックス株式会社

http://www.spectra-physics.jp/

ソーラボジャパン株式会社

http://www.thorlabs.jp/

ツジ電子株式会社

http://www.tsujicon.jp/

株式会社東京インスツルメンツ

http://www.tokyoinst.co.jp/

株式会社東和計測

http://www.touwakeisoku.co.jp/

株式会社トヤマhttp://www.toyama-jp.com/

株式会社

ナバテック

http://www.navatec.co.jp/152仁木工芸株式会社

http://www.nikiglass.co.jp/

伯東株式会社

http://www.g5-hakuto.jp/

丸善株式会社

http://kw.maruzen.co.jp/

丸菱実業株式会社

http://www.ec-marubishi.co.jp/

株式会社 ラボラトリ・イクイップメント・コーポレーション

153

http://www.labo-eq.co.jp/

しょうとつ
第 10 巻 第 6 号
目 次

市川 行和

…155

（原子衝突のキーワード） 振電相互作用

渡邉 昇

…158

原子衝突若手の会 第 34 回秋の学校 開催報告

中嶋 雄介

…159

国際会議参加報告(ICPEAC2013)

太田 優史

…160

原子衝突学会第 38 回年会プログラム

行事委員長

…162

第 40 回総会開催のお知らせ

庶務幹事

…163

第 15 回原子衝突学会若手奨励賞募集要項

庶務幹事

…163

国際会議発表奨励事業に関するお知らせ

庶務幹事

…164

「しょうとつ」原稿募集

編集委員会事務局 …165

（シリーズ）

宇宙と原子

第十回 宇宙の水－万物の根源は水である(タレス)－…165

ユーザー名とパスワード

154

リーズ

「宇宙と原子」
第十回 宇宙の水―万物の根源は水である(タレス)―
市川行和
yukitikawa@nifty.com
平成 25 年 8 月 26 日原稿受付

ここで水の回転準位について復習しておこう．

1995 年，太陽に水分子があることがはじめて報告された [1]．太陽の光球の温度は 5800 K

水は非対称コマ型分子でその回転準位はであり，水分子は解離して分子として安定に存在J, τ (= −J, −J+1, … , +J)できない．しかし黒点の温度は 3000 K 程度であり，そこではかなりの水分子が存在できる．それを高分解能の赤外吸収スペクトルとして観測した．

で指定される．このうち J は回転の角運動量量子

そもそも水分子は 3000 K では高い回転(一部は数である．分子の慣性主軸を慣性モーメントの小振動)励起状態にある．それらの高い状態間の遷さい順に A，B，C としたときに，回転角運動量ベ移については当時ほとんど情報がなかった．そこ

クトルの A 軸，C 軸方向の射影をそれぞれ Ka,で実験室で高温(1800 K 程度)の水蒸気を作りそKc とすると

こから放出される赤外線を測り，太陽のスペクト
τ = Ka − Kcルと比べた．結果はよく一致した．このことから太陽大気にも水があることが確認されたのである．
一方，Tennyson らは水の振動回転スペクトルとなる．分子の対称性から，τ が偶数のもの(パラ)について詳細な計算を開始した．高い回転状態と奇数のもの(オルト)とは光吸収や電子衝突ではは振動運動の影響が顕著であり，エネルギー準混ざらない．J, τ の代わりに J に添え字 Ka，Kc位の計算は複雑になる．彼らの計算の結果は太をつけて準位を指定することもある．以下本解説

陽スペクトルの解析に大きく貢献した．Tennyson

ではこの記法に従う．この記法では Ka + Kc が偶のグループはこれをきっかけに実験データを網数のときにパラ，奇数の時にオルトとなる．図 1 に羅的に収集し，計算結果と比べてその評価を行

基底状態近くの回転準位をパラとオルトに分けてい，8 次の振動準位までを含む 12000 本ほどの示す．

振動回転準位を集めたデータベースを作成した

双極子許容遷移の選択則は[2]．
ΔJ = 0, ±1

高い状態間の遷移(hot band)については太陽Δτ = 0, ±2, ±4, …

黒点のスペクトルから得た情報も含まれている．
天体物理と原子分子物理の交流の一つの典型的な例である．Tennyson らは現在，今後の系外であり，図 1 にはいくつかの許容遷移について波惑星の研究に役立てるために，関連する惑星大長または周波数が示してある．

気分子の分光データ(波長と強度)についてデー

水が星間分子として発見されたのは 1969 年でタベースを作成するプロジェクト(ExoMol)を進めあった [3]．電波望遠鏡でみつかったのは回転ている．これは実験値の不足を詳細な計算で補遷移 616 - 523 で周波数は 22 GHz である．このうものである．

ような高い励起状態が通常の分子雲の中に存在

Copyrigh t© 2012 The Atom ic Colli sion Soci ety of Japan, All ri gh ts reserv ed.

155図 1: 水分子の回転準位．オルトとパラに分けて表示．斜めの線はハーシェル衛星で観測された遷移である．ヘテロダイン分光器で観測されたもの(赤線)はギガヘルツ単位で，赤外分光器で観測されたもの(青線)はミクロン単位で示す．文献 [4] より転載．

するのはまれであり，何か特別の励起機構がなプログラムのこれまでの成果のうち，顕著なことはければならない．現在ではある種のメーザー作

以下の 2 点である．

用が働いていると考えられている．

(1) 星形成領域のコア部分(低温)では気相の図 1 からわかるように低い回転状態の間の遷水が少なく(H2O/H2 ∼ 10-8-10-9)，多くが移はマイクロ波より波長が短く，遠赤外やサブミリ氷になっている．一方，周囲(高温)では波の領域に入る．最近この領域専用の望遠鏡を

H2O/H2 ∼ 10-4-10-5 で，かなりの水分子積んだ衛星(ハーシェル衛星)が打ち上げられた．

が存在する．ただしこの H2O/H2 の違いはこれは大口径(3.5 m)で，50 – 500 μm の領域を予測より大きい．
(2) H2O+ を星間雲では初めて観測した．

高感度・高分解能で観測する．
太陽系では，特に生命の維持にとって，水はところで観測されたスペクトルから水分子の存重要な分子であり，その存在量も多い．しかし，在量を求めるには，観測された波長に対応する宇宙全体を眺めると水分子はそれほど多くない．

回転遷移を励起する励起断面積が必要になる．

その存在量は星間空間では平均で水素分子の衝突相手は基本的に水素分子なので，問題とな百万分の一程度であり，CO などの方が圧倒的るのは H2 + H2O 衝突による水の回転励起断面に多い．酸素は宇宙で 3 番目に多い元素であり，積である．これについては，これまでのところ理水素はどこにでもあるので，もっと水があってもよ論値しかない．しかし，最近，実験が始まった．

さそうである．おそらく少し低温のところでは固体

本解説の最後にその紹介をしよう．

(氷)になって微粒子の一部となっているのであろ

実験は図 2 のような装置で行った [5]．H2O とう．水は気体になったり固体になったり，温度にH2 の交差分子線法を用いる．両方のビームとも敏感で決して一様には存在しない．水の存在分ノズルビームにして回転温度を低くする．結果，布を詳細に調べることで星形成の詳細がわかる

H2O は 000, 101 のみ，H2 は J=0, 1, 2 のみの回かも知れない．そのような研究が盛んに行われる転状態に分布する．両ビームの相対速度は 574

ようになってきた．その一つがハーシェル衛星を

cm-1 = 71.2 meV で実験を行う． 衝突後の H2O用いた WISH (Water in Star-forming regions withを共鳴多光子イオン化法により回転状態を選択Herschel)プログラムである [4]．これは，星形成してイオン化し，できた H2O+ を TOF と CCD とで領域について水および水関連の原子分子のスvelocity mapping (ニュートンダイアグラムを作る)ペクトルを高分解能で観測するものである．このを行う．実験は para-H2O と normal-H2O (オルCopyrigh t© 2012 The Atom ic Colli sion Soci ety of Japan, All ri gh ts reserv ed.

156参考文献[1] L. Wallace et al., Science 268, 1155 (1995).
[2] J. Tennyson et al., J. Phys. Chem. Ref. Data30, 735 (2001).
[3] A.C. Cheung et al., Nature 221, 626 (1969).
[4] E.F. van Dishoeck et al., Publ. Astron. Soc.
Pacific 123, 138 (2011).
[5] C.-H. Yang et al., J. Chem. Phys. 134,204308 (2011).

[後記]
予定した 10 回の掲載を無事終えることができた．
ここまで付き合って下さった読者のかたがた，またしばしば有益な助言をいただいた査読者のみなさまに感謝したい．宇宙と原子分子の関係は今後ますます緊密になるに違いない．たとえば，

図 2: H2 + H2O 衝突による水の回転励起の実験を行った装置の模式図．詳細は文

系外惑星の観測が進むとそれらの大気の分光が献 [5] を参照のこと．(文献 [5]より， AIP可能になり，ひょっとすると新しい分子種の発見の許可を受けて転載)があるかもしれない．さらには生命の起源は宇宙にありとする説が実証されるかもしれない．また大トとパラの比が 3:1 )とを用いて行うことで衝突励型望遠鏡を用いた宇宙初期の天体の観測が進起過程

むと，現在地上の実験室で得られている原子分子過程の知識では説明できない現象が見つかる

H2 (J=0, 1, 2) + H2O(000) → H2 + H2O(111 etc)

かもしれない．それらのことを踏まえて，10 年後ぐ

H2 (J=0, 1, 2) + H2O(101) → H2 + H2O(110 etc)

らいに誰かが本シリーズの続きを書いてくれると面白いのではないだろうか．の微分断面積が得られた．ただし今のところ，断面積の絶対値は求まらない．H2 ビームの初期回転状態を分けることはできないが，ビームの性質からその中の回転状態分布はよくわかっている．したがって state-to-state の断面積を理論で求め，本実験の結果と比較することで理論断面積の検証を行うことができる．詳細は原論文にゆずるが，理論の結果は前方(30 度以下)を除いては実験をよく再現した．しかし，水の定量分析に必要なのは断面積の絶対値であり，今一歩の努力が必要である．

Copyrigh t© 2012 The Atom ic Colli sion Soci ety of Japan, All ri gh ts reserv ed.

157

「原子衝突のキーワード」

 s r ; R    s r ; R0   t s

振電相互作用 (vibronic interaction) t V  sE s  Et

 t r ; R0  (2)

ここで，Eu (u = s or t)は電子状態 u のエネルギー
振電相互作用は，分子を構成する原子核の運を表す．(2)式を Herzberg-Teller 展開という．分子動と電子運動との相互作用を表す．狭義には振動に伴う核変位を介して電子状態s に他の状Born-Oppenhimer(BO)近似の破れに基づく断熱態t が結合したものと解釈でき，振電相互作用の状態間の結合を意味するが，その定義を広く捉え，一種とみなすことが多い．しかしながら，BO 近似原子核の変位が電子波動関数に及ぼす影響をもの枠組みの中での議論であることから，振電相互振電相互作用の一種とみなすことも多い．

作用とは区別すべきだとの見解もあり，振電相互作用という言葉の用法には注意を要する [2]．

まずは狭義の振電相互作用について述べる．
原子核は電子に比べて遥かに重く，速度が遅い

上で述べた Herzberg-Teller 型の振電相互作用ため，その運動が電子に与える影響は断熱的では，光学スペクトルに現れる禁制線の説明に広くあると仮定する BO 近似が広く用いられてきた．本用いられてきた．平衡核配置において双極子遷移行列がゼロとなる場合であっても，(2)式においBO

近似において，分子の全波動関数a (r,R)は電て双極子遷移許容な電子状態が t として混入し子波動関数s(r; R)と原子核波動関数 sv(R)の積ていれば，その寄与により s 状態への光遷移がで与えられ，核と電子の運動は分離されている．

r, R    s r; R  sv R (1)生じ得る．s と許容遷移状態，及び振動モードのr と R は電子と核の座標を表す．BO 近似は強力それぞれが属する既約表現間の直積に全対称表な手法ではあるが，シュレディンガー方程式の厳現を含むことが，必要条件である．例えば，ベン密解を与えるものではない．真のハミルトニアンとゼンの光吸収実験では，-*遷移に相当する 1E1u近似ハミルトニアンとの差が相互作用として働き，状態への双極子許容遷移の低エネルギー側に，BOa1B2u 状態への弱い禁制遷移が観測されるが，これ(1)式で表される複数の断熱状態間で結合が生じる．二つ以上の断熱状態が結合していることから，

は e2g 振動を介し 1B2u 状態に 1E1u 状態が混入した波動関数を電子と核の運動に対する項の積とし結果，1E1u 遷移から強度をもらい受ける，いわゆるては表せず，振電相互作用が強く働く場合，もは“intensity borrowing”が生じたためである．
また，分子の変形にともなう電子エネルギーのや両者の運動を分けて考えることはできない．
これに起因した現象の一つに，孤立分子にお変化は，摂動論的にEs = <s|V|s>で与えられける内部転換(internal conversion)が挙げられる

る．対称性の高い非直線分子が縮退した電子状[1]．例えばテトラセン分子が光吸収により 2 番目態に遷移した場合，Es が負となり，且つ対称性をの一重項励起状態(S2 状態)に遷移しても，1 番目下げて縮退を解くような振動モードが常に存在すの一重項励起状態(S1 状態)からの緩和にともなうる．これを Jahn-Teller の定理とよぶ．本定理から，発光が観測される．この現象は，BO 近似の破れ縮退した電子励起状態に遷移した非直線分子は，が S2 と S1 状態間で相互作用として働き，励起分振電相互作用により対称性を下げるように構造を子が S2 状態から振動励起した S1 状態に内部転歪めエネルギー的に安定化することがわかる．

換した結果であり，電子状態間のエネルギー差が振電相互作用が分子動力学や光励起・緩和過振動エネルギーへ変換されたことを意味する．

程に与える影響は多岐に亘り，その重要性から実験と理論の双方より多くの研究が行われている．
(東北大多元研 渡邉 昇)

上記の定義からは外れるが，しばしば振電相互作用として言及される事柄を次に述べたい．原子核が平衡核配置 R0 から核座標配置 R に微小変

参考文献

位すれば，クーロンポテンシャルに変化V が生じ[1] P. Avouris et al., Chem. Rev. 7, 793 (1977).

る．これを摂動として扱えば，核変位後の電子波[2] T. Azumi and K. Matsuzaki, Photochem.
Photobio. 25, 315 (1977).

動関数は次のように書ける．

Copyrigh t© 2012 The Atom ic Colli sion Soci ety of Japan, All ri gh ts reserv ed.

158

2013 年度 役員・委員会等会長
髙橋正彦（東北大学）
幹事
渡部直樹（北海道大学）（副会長）森下亨（電気通信大学）

足立純一（高エネルギー加速器研究機構） 星野正光（上智大学）
運営委員
足立純一（高エネルギー加速器研究機構） 岸本直樹（東北大学）
小島隆夫（理化学研究所）

冨田成夫（筑波大学）

日高 宏（北海道大学）

渡部直樹（北海道大学）

渡辺 昇（東北大学）

東岡田邦宏（上智大学）

小田切丈（上智大学）

佐甲徳栄（日本大学）

城丸春夫（首都大学東京）

星野正光（上智大学）

中村信行（電気通信大学）

俊行（理化学研究所）

森下 亨（電気通信大学）
常置委員会等
編集委員会

委員長：

渡部直樹（北海道大学）

行事委員会

委員長：

森下

広報渉外委員会委員長：

足立純一（高エネルギー加速器研究機構）

若手奨励賞選考委員会委員長：

大野公一（豊田理化学研究所）

国際会議発表奨励者選考委員会

委員長：

髙橋正彦（東北大学）

学会事務局

担当幹事：星野正光（上智大学）

亨（電気通信大学）

編集委員会
足立純一，岸本直樹，長嶋泰之，中井陽一，羽馬哲也，早川滋雄，日高宏森林健悟，渡部直樹

しょうとつ

第１０巻 第６号（通巻 55 号）

Journal of Atomic Collision Researchc 原子衝突学会 2013⃝
http://www.atomiccollision.jp/
発行: 2013 年 11 月 15 日
配信: 原子衝突学会 事務局<acr-post@bunken.co.jp>