人类所知的关于宇宙的几乎全部知识都是通过对来自天体的光的研究获得的。要了解这类光的信息，首先需要借助望远镜把光分解为不同的原色，同时还要知道原子分子的量子力学的详细知识，本书就是根据作者在伦敦大学学院（University College London）给学生讲授《天体光谱学》的讲稿基础上写成的。全书着重描述理解、解释天体光谱所必需的原子物理和分子物理基础知识。全书共10章，分别讲述天体光谱的记录、谱项的性质、原子氢、复杂原子、氦光谱、碱金属原子、星云的光谱、X射线谱、分子结构、分子光谱等。各章都有习题，书后附有习题解答。这是近年来出版的唯一一本兼顾天体物理研究和原子分子物理结构研究的教科书，不但适宜于高年级大学生和研究生用作教材，书中所列的大量文献也有利于相关专业的专家开展进一步的研究工作。
作者简介
Jonathan Tennyson
伦敦大学学院（University College London，UCL）教授，物理和天文系主任。1977年获剑桥King s College自然科学学士学位，1980年在导师John Murrel指导下，取得Sussex大学的理论化学（电子结构计算）博士学位。1980年至1982年，以皇家学会西欧交流会员的身份赴荷兰的Nijmegen大学作丰富多彩的博士后研究工作。1982年加入Dareshury实验室从事理论化学研究，1985年成为终身研究员。同年到UCL从事理论原子物理的研究工作，并成为“Blood讲师”。在UCL，作者发现自己不但成了物理学家，而且成了天文学家，1991年提升为高级讲师。1994年成为物理学教授。1991年至2004年担任原子、分子、光学、正电子课题组组长，2004年成为物理和天文系主任，2005年成为物理学Massey教授。
1989年以访问科学家身份到访以色列的Weizmann科学研究所，并讲学一个学期;1995年和1996年休假期间，以天体物理学家身份到美国HarvardˉSm ithsonian天文物理中心的原子和分子物理理论研究所工作9个月，到Colorado大学工作3个月。
作者的研究兴趣涉及小分子理论的各种专题，尤其专注于小分子的光谱计算，目前则专注于水分子的光谱，以及电子（正电子）同小分子的碰撞和碰撞过程在天文、大气科学中的应用。
书摘
出版者的话
复旦大学出版社出版英文影印版《研究生教学参考书系》，主要基于以下几点考虑。
1. (新加坡)世界科技出版公司以出版科技专著闻名于世，同我社已有10多年的友好交往。从20世纪90年代以来，尤其是1995年该公司并购了伦敦帝国学院出版社（Imperial College Press）51%的股份（近年已经完成了100%的股份收购）之后，这两大出版机构在潘国驹教授的集中指挥下，充分发挥了编辑学术委员会的职能，使得出书范围不断拓宽，图书层次逐渐丰富，因此从中遴选影印图书的空间更大了，再加上该公司在上海设有办事机构，相关工作人员工作细致，服务周到，给两个单位的合作交流带来极大的便利。
2. 研究生教育是创新人才培养的关键，教材建设直接关系到研究生科学水平的根本。从2003年开始，我社陆续出版了Fudan Series in Graduate Textbooks这套丛书，国内的读者反响很好。但限于作者人力，这套丛书涵盖的学科和门类都严重不足。为此，我们想到再借助国外出版力量，引进一批图书作为硕士研究生的补充教材，（新加坡）世界科技出版公司与我社的合作，恰好提供了这样一个良好的机会。我们从该公司提供的近期书目中，遴选30多本样书，经过专家审读后，最终确定了其中的11种作为首批《研究生教学参考书系》影印出版。这11种图书的作者来自美、英、法、德、加拿大5个国家的10多所高校或研究部门，他们既是相关学科科研的领军人物，又是高年级本科生和研究生教学的杰出教授。各门教材既考虑到深入浅出的认知规律，又突出了前沿学科的具体应用，每本书都有充实的文献资料，有利于读者和研究人员深入探索。这其中6本教材配有习题，还包括一本具有物理背景的人员都需要了解的高级科普读物——《理解宇宙——从夸克到宇宙学》。
3. 为了有利于广大读者和图书管理人员、图书采购销售人员的使用，特请龚少明编审为每本影印书编写出中文内容介绍和作者概况，并由他将preface（序言）全文译成中文。序言是一本书的总纲，它涉及写作要旨、逻辑体系、内容特色和研读指导等等，我们将其译成中文至少有利于读者浏览和选购，避免买书仓促带来的失误，毕竟英语是多数读者的第二种语言。
4. 原版书价格较贵，大大超出读者的购买能力，即使图书馆或大学资料室也会受到经费不足的制约。出版影印本的书价大约只有原价的十分之一，无疑会给需要这些书的研究生和图书馆带来真正的实惠,这也是（新加坡）世界科技出版公司与我们合作的目的之一。
5. 考虑到物理类图书是（新加坡）世界科技出版公司的第一品牌，我们首次引进的11本书，都属大物理的范畴。这一尝试如果得到读者和专家认可，今后再陆续开辟其他学科的影印渠道。
欢迎读者批评指正，并提出有益的建议。
复旦大学出版社
2006年9月
AstronomicalSpectroscopy
An Introduction to the Atomic andMolecular Physics ofAstronomical Spectra
（University College London，UK）
序 言
从1998年到2003年，我在伦敦大学学院（University College London，UCL）连续给三年级学生上《天体光谱学》这门课，本书就是紧接着讲稿出版的。参加听课的学生，事先已经读过量子力学的初级课程，亦即粗晓氢原子，但没有原子物理或光谱学的更多知识。本书就是在这种水平的预备知识的前提下展开的。
没有许多人的帮助，本书是根本难以完成的。首先我要感谢Bill Somerville，是他率先开设了《天体光谱学》这门课，并且在我之前已经教了两年。他毫无私心地把他的讲稿和其他资料都交给了我。我同样应当感谢Ceinwen Sanderson，是他帮助我把手稿长卷转成LATEX文本。我还对同事TonyLynasˉGray，Bill Somerville，Peter Storey以及JeremyYates等表示感谢，因为他们对本书的初稿作了广泛的评说。我还要对我的研究生Bob Barber和Natasha Doss表示衷心的谢意，他们帮助我验算了全部习题并纠正了许多差错。凡是参与过有益订正的人我都表示感谢，书中遗留的任何差错都归我本人。
我同样要感谢参加《天体光谱学》听课的学生，给他们上课十分有趣，不仅仅是因为能把天体物理学的最新进展随时直接融入讲课之中，更因为2003级学生还对本书的内容作了许多有益的评论和建议。
有关光谱学的图书都需要好的插图来烘托，我也厚着脸皮从文献和其他图谱资料中寻找到了本书的插图。我要感谢X iaowei Liu，他帮我把许多出版了的图谱数字化。我的学生Iryna Rozum，我的儿子Matthew，尤其是David Rage，他们帮助我完成了其他的插图。我还要对杂志社和论文的作者表示感谢，他们毫不犹豫地答应我引用作品，尤其是允许引用其插图，在本书的插图说明中，我对每份杂志，每一个作者都一一注明并给予致谢。
最后，我还要对UCL的天文学家们，不管现在的还是过去的，表示衷心的感谢，因为他们耐心而毫无保留地回答了我向他们请教的很多天体物理问题。其中最突出的是Pete Storey和M ike Barlow，还有午餐俱乐部的其他成员，我都不能忘怀。如果没有你们，我的天文学知识只可能停留在我来到UCL之前的无知的水平上。
Jonathan Tennyson
2004年7月于伦敦
Contents
Preface
1. Why Record Spectra of Astronomical Objects?
1.1 A Historical Introduction
2. The Nature of Spectra
2.1 Transitions
2.2 Absorption and Emission
2.3 Other Measures of Transition Probabilities
2.4 Stimulated Emission
2.5 Optical Depth
2.6 Critical Density
2.7 Wavelength or Frequency?
2.8 The Electromagnetic Spectrum
3. Atomic Hydrogen
3.1 Overview
3.2 The Schrodinger Equation of Hydrogen-Like Atoms
3.3 Reduced Mass
3.4 Atomic Units
3.5 Wavefunctions for Hydrogen
3.6 Energy Levels and Quantum Numbers
3.7 H-Atom Discrete Spectra
3.8 H-Atom Spectra in Different Locations
3.8.1 Balmer series
3.8.2 Lyman series
3.8.3 Infrared lines
3.9 H-Atom Continuum Spectra
3.9.1 Processes
3.9.2 H-atom emission in H II regions
3.10 Radio Recombination Lines
3.11 Radio Recombination Lines for Other Atoms
3.12 Angular Momentum Coupling in the Hydrogen Atom
3.13 The Fine Structure of Hydrogen
3.14 Hyperfine Structure in the H Atom
3.15 Allowed Transitions
3.16 Hydrogen in Nebulae
4. Complex Atoms
4.1 General Considerations
4.2 Central Field Model
4.3 Indistinguishable Particles
4.4 Electron Configurations
4.5 The Periodic Table
4.6 Ions
4.7 Angular Momentum in Complex Atoms
4.7.1 L-S or Russell-Saunders coupling
4.7.2 j-j coupling
4.7.3 Why two coupling schemes?
4.8 Spectroscopic Notation
4.9 Parity of the Wavefunction
4.10 Terms and Levels in Complex Atoms
5. Helium Spectra
5.1 He I and He II Spectra
5.2 Selection Rules for Complex Atoms
5.3 Observing Forbidden Lines
5.4 Grotrian Diagrams
5.5 Potential Felt by Electrons in Complex Atoms
5 6 Emissions of Helium-Like Ions
7. Spectra of Nebulae
7.1 Nebulium
7.2 The BowenMechanism
7.3 Two Valence Electrons
7.4 Autoionisation and Recombination
8. X-Ray Spectra
8.1 The Solar Corona
8.2 Isotope Effects
9. Molecular Structure
9.1 The Born-Oppenheimer Approximation
9.2 Electronic Structure of Diatomics
9.2.1 Labelling of electronic states
9.2.2 Symmetry
9.2.3 State labels
9.3 Schrodinger Equation
9.4 Fractionation
9.5 Vibration-Rotation Energy Levels
9.6 Temperature Effects
9.6.1 Rotational state populations
9.6.2 Vibrational state populations
9.6.3 Electronic state populations
10. Molecular Spectra
10.1 Selection Rules: Pure Rotational Transitions
10.1.1 Isotope effects
10.1.2 Rotational spectra of other molecules
10.1.3 Rotational spectra of molecular hydrogen
10.2 Vibrational Transitions
10.2.1 Structure of the spectrum
10.2.2 Isotope effects
10.2.3 Hydrogen molecule vibrational spectra
10.3 Electronic Transitions
10.3.1 Selection rules
10.3.2 Vibrational selection rules
10.3.3 Rotational selection rules
10.3.4 Transition frequencies
10.3.5 Astronomical spectra
10.4 Non-1Σ Electronic States
10.5 Maser Emissions
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