Kurzfassung
Wasser und Ammoniak haben zwei Kernspinisomere /emph{para} und /emph{ortho}, die sich durch den Gesamtkernspin der identischen Wasserstoffkerne unterscheiden. Es handelt sich um zwei für das Leben unverzichtbare Moleküle, die in vielen Bereichen eine wichtige Rolle spielen, z. B. in der Chemie, Biologie, Medizin und Astrophysik. Diese beiden Moleküle beinhalten Informationen der Physik und Chemie im frühen Stadium der Molekülwolken. Diese Informationen können durch Messung des /emph{ortho-para} Verhältnisses ihrer Kernspin-Isomeren entnommen werden, da die Kernspinumwandlung zwischen zwei Kernspin-Isomeren in der Regel langsam ist und man davon ausgeht, dass es sich um zwei verschiedene Moleküle handelt. Die Molekülkollision ist einer der am besten untersuchten Mechanismen, der zu Informationen über die Kernspinumwandlung führt. In isolierten Wasser- und Ammoniakmolekülen wurden bisher keine direkten Übergänge beobachtet. Allerdings können die Hyperfeinstoffeffekte wie Kernspin-Rotation- und Kernspin-Spin-Wechselwirkungen zu Übergängen führen durch die Einführung von /emph{ortho-para} Mischung. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, diese verbotenen Kernspinübergänge von Wasser und Ammoniak vorherzusagen und zu beobachten. Diese Arbeit kann in zwei Hauptteile unterteilt werden, einen theoretischen und einen experimentellen Teil.
Im theoretischen Teil wird die erste umfassende theoretische Untersuchung der Hyperfeinstoff-Effekte in H$_2$$^{16}$O einschließlich der /emph{ortho-para} Übergänge aufgrund der Kernspin-Rotation- und Kernspin-Spin-Wechselwirkungen präsentiert. Dies wird durch einen neu entwickeltem allgemeinen Variationsansatz erreicht, der in Richmol implementiert ist, indem die zusätzlichen Terme in den rovibrationalen Hamiltonian von TROVE, der die Kernspin-Rotation und die Kernspin-Spin-Wechselwirkung beschriebt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die stärksten /emph{ortho-para} Übergänge bei Raumtemperatur in der Größenordnung von $10^{-31}$~cm/Molekül liegen und in den Bändern im mittleren Infrarot $/nu_2$ und im nahen Infrarot $2/nu_1+/nu_2$ und $/nu_1+/nu_2+/nu_3$ in aktuellen Spektroskopieexperimenten.
Im experimentellen Teil wurden die breitbandigen Absorptionsspektren der $3/nu_{2}$-Bande von $^{14}$NH$_{3}$ bei 4~/um mit einem selbstgebauten Fourier-Transform-Spektrometer aufgenommen. Das Fourier-Transformations-Spektrometer basiert auf einem Mittelinfrarot-Frequenzkamm mit einer Wiederholrate von 150 MHz. Das Frequenzraster des Fourier-Transform-Spektrometers ist so eingestellt, dass es der Wiederholrate des Frequenzkamms entspricht, um die Linienform des Instruments zu entfernen, was zu einer Auflösung von 0,00501~/invcm führt.
Linienpositionen, Linienintensitäten, Selbstverbreiterung und Selbstverschiebung Parameter für sechs Rovibrationslinien wurden bei Raumtemperatur bestimmt. Ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter Multi-Pass-Zellen-Kryostat soll eingesetzt werden, um die Empfindlichkeit des Fourier-Transform-Spektrometers zu erhöhen und möglicherweise die /emph{ortho-para}-Übergänge mit Hilfe der optisch-optischen Doppelresonanzspektroskopie mit einer Frequenzkamm-Sonde
zu beobachten.
Water and ammonia have two nuclear spin isomers /emph{para} and /emph{ortho} that differ by the total nuclear spin of the pair of identical hydrogen nuclei. They are essential molecules for life, which play important roles in many aspects such as chemistry, biology, medicine, and astrophysics. These two molecules contain the information of physics and chemistry at the early stage of molecular clouds. People can extract this information by measuring the /emph{ortho-para} ratio, since the nuclear spin conversions between these two nuclear spin isomers are usually slow, and they are supposed to be two different molecules. Molecular collision is one of the most studied mechanisms resulting the nuclear spin conversion. No direct transitions have been ever observed in isolated water and ammonia molecules. However, the hyperfine effects like the nuclear spin-rotation and spin-spin interactions can make the transitions happen by introducing /emph{ortho-para} mixing. The main goal of this thesis is to predict and observe the nuclear-spin-forbidden transitions of water and ammonia. This work can be divided into two major parts, the theoretical part and the experimental part. In the theoretical part, the first comprehensive theoretical investigation of the hyperfine effects in H$_2$$^{16}$O is presented, including the /emph{ortho-para} transitions owing to the nuclear spin-rotation and spin-spin interactions. This was achieved by the newly developed general variational approach implemented in Richmol by adding the extra terms in the rovibrational Hamiltonian from TROVE that describes the nuclear spin-rotation and spin-spin interactions. The results suggest that the strongest /emph{ortho-para} transitions intensities at room temperature are on the order of $10^{-31}$~cm/molecule, and should be detectable in the mid-infrared $/nu_2$, and near-infrared $2/nu_1+/nu_2$ and $/nu_1+/nu_2+/nu_3$ bands by current spectroscopy experiments. In the experimental part, the broadband absorption spectra of the $3/nu_{2}$ band of $^{14}$NH$_{3}$ near 4~/um were recorded by a homebuilt Fourier-transform spectrometer. The Fourier transform spectrometer is based on a mid-infrared frequency comb with the repetition rate of 150~MHz. The frequency grid of the Fourier-transform spectrometer is set to be the same as the repetition rate of the frequency comb to remove the instrument line shape, resulting in a resolution of 0.00501~/invcm. Line positions, line intensities, self-broadening, and self-shift parameters for six rovibrational lines were determined at room temperature. A liquid-nitrogen-cooled multi-pass-cell cryostat is planned to apply to increase the sensitivity of the Fourier transform spectrometer, and possibly observe the /emph{ortho-para} transitions with the help of optical-optical double-resonance spectroscopy with a frequency comb probe.