Linia wodoru 21 cm

Podstawowy (n=1) i pierwszy wzbudzony (n=2) poziom energetyczny atomu wodoru. W stanie podstawowym nie występuje rozszczepienie subtelne, obecne są natomiast dwa poziomy nadsubtelne (F = 0 i 1). Linia wodoru 21 cm odpowiada przejściu pomiędzy tymi poziomami.
Spin elektronu w atomie wodoru może być zgodny lub przeciwny do spinu protonu. Przejście między podpoziomami struktury nadsubtelnej z F = 1 do F = 0 jest źródłem promieniowania o λ = 21 cm dochodzącego do Ziemi z przestrzeni międzygwiezdnej

Linia wodoru 21 cm – linia emisyjna promieniowania elektromagnetycznego o długości fali równej 21 cm (fale decymetrowe), wysyłanego przez atomy wodoru.

Elektron w atomie wodoru w stanie podstawowym znajduje się na powłoce K, na której dozwolone są dwa nadsubtelne poziomy energetyczne związane ze spinem elektronu, który może być zgodny lub przeciwny do spinu jądra (w tym wypadku protonu). Różnica energetyczna pomiędzy tymi poziomami wynosi 5,9×10−6 eV, a przejście elektronu z jednego poziomu na drugi związane jest z absorpcją lub emisją kwantu promieniowania o częstotliwości fali 1420 MHz, co odpowiada długości fali ok. 21 cm[1].

Wzbudzony atom wodoru emituje promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie UV, światła widzialnego i IR, związane z przejściami elektronu pomiędzy powłokami elektronowymi (zob. serie widmowe wodoru).

Obserwacje promieniowania wodoru o częstotliwości radiowej służą do badania przestrzeni międzygwiazdowej i uzyskiwania obrazów rozmieszczenia przestrzennego wodoru, także z regionów niedostępnych do badań w świetle widzialnym (zob. radioastronomia)[2]. Ponieważ wodór jest we Wszechświecie najczęściej występującym pierwiastkiem, to z tych obserwacji można uzyskiwać informacje o ruchach i rozmieszczeniu materii międzygwiazdowej. Pierwszą osobą, która zauważyła ten związek był holenderski astronom H. van de Hulst.

W uznaniu znaczenia linii 21 cm dla radioastronomii i programu SETI Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna zarezerwowała zakres częstości od 1400 do 1427 MHz na potrzeby badawcze. Wszelka emisja radiowa w tym zakresie jest zabroniona[3].

Odkrycie

W latach 30. XX wieku zanotowano obecność radiowych zakłóceń (w postaci „syczenia”), które różniły się w ciągu dnia – przypuszczano, iż miały one pozaziemskie pochodzenie. Po wstępnych sugestiach, jakoby było to spowodowane aktywnością Słońca zaobserwowano, że fale radiowe prawdopodobnie pochodziły z centrum Galaktyki. Odkrycia te zostały opublikowane w 1940 roku – zauważył je Jan Oort, który wiedział, że w astronomii mogłyby być dokonane znaczące postępy, gdyby w radiowej części widma znajdowały się linie emisyjne. O swoich spostrzeżeniach poinformował Hendrika van de Hulsta, który w roku 1944 przewidział, że neutralny wodór może wytwarzać promieniowanie o częstotliwości 1420,4058 MHz ze względu na dwa znajdujące się blisko siebie poziomy energii w stanie podstawowym atomu wodoru.

Linia 21 cm (1420,4 MHz) została po raz pierwszy wykryta w 1951 roku przez Harolda Ewena i Edwarda Purcella na Uniwersytecie Harvarda[4], publikacja ukazała się po tym, jak ich dane zostały potwierdzone przez holenderskich astronomów C.A. Mullera i J. Oorta[5], a następnie przez Christiansena i Hindmana w Australii. Po 1952 roku wykonano pierwsze mapy neutralnego wodoru w Galaktyce, dzięki którym po raz pierwszy ujawniono spiralną strukturę Drogi Mlecznej.

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ The Hydrogen 21-cm Line. [dostęp 2011-02-19].
  2. ↑ Obszary wodoru. Astrovision.pl, 2005-05-06. [dostęp 2011-02-18].
  3. ↑ International Telecommunication Union, Radio Regulations Vol. 1, Edition of 2008, Art. 5.340 s. 98.
  4. ↑ H.I. Ewen, E.M. Purcell. Observation of a line in the galactic radio spectrum. „Nature”. 168 (4270), s. 356, wrzesień 1951. DOI: 10.1038/168356a0. Bibcode: 1951Natur.168..356E. 
  5. ↑ C.A. Muller, J.H. Oort. The Interstellar Hydrogen Line at 1,420 Mc./sec., and an Estimate of Galactic Rotation. „Nature”. 168 (4270), s. 357–358, wrzesień 1951. DOI: 10.1038/168357a0. Bibcode: 1951Natur.168..357M. 


Media użyte na tej stronie

Hydrogen-SpinFlip.svg
Ground state hyperfine levels of hydrogen (parallel and antiparallel) with the spin-flip transition, emitting radiation at 1420 MHz. The corresponding wavelength is 21 cm. (21-cm line, hydrogen line)
Fine hyperfine levels.png
Fine and hyperfine structure in hydrogen. The coupling of the different angular momenta leads to energy level splitting. Not drawn to scale.

The electron spin angular momentum, S is coupled to the electron orbital angular momentum, L, to form the total electronic angular momentum, J. This is subsequently coupled to the nuclear spin angular momentum, I, to form the total angular momentum, F.

The term symbol takes the form 2S+1L with the values of L represented by letters (S,P,D,F,G,H,... = 0,1,2,3,4,5,...) so that, for instance, a 2P term represents a state with S=1/2 and L=1.

The single electron in a 1s subshell gives rise to the 2S term. L=0 and S=1/2 can only combine to give J=1/2. This in turn can combine with the nuclear spin, I=1/2, to give total angular momentum F=0,1.

The single electron in a 2p subshell gives rise to the 2P term. L=1 and S=1/2 can combine to give J=1/2 and J=3/2. These can combine with the nuclear spin, I=1/2, to give total angular momenta F=0,1 and F=1,2 respectively.

The hyperfine splitting of the ground 2S state is the source of the 21 cm hydrogen line, important in astronomy.