Según el Observatorio Nacional de radioastronomía, http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/HILine.htmlel 21cm de la línea de hidrógeno puede ser emitida por el átomo de hidrógeno neutro debido a la interacción magnética entre los espines de los protones y de electrones. Sin embargo, se dice que la molécula de hidrógeno H2 no poseen un dipolo permanente, y por lo tanto no emiten una línea espectral en las frecuencias de radio. ¿Por qué es que la interacción entre los espines de los protones y los electrones ya no se manifiesta cuando estamos hablando de la molécula de H2?
Respuestas
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$H_2$ contiene 2 electrones en el mismo terreno de estado orbital; por exclusión de Pauli, uno debe ser de spin-up y el otro debe ser spin-abajo. El 21cm línea se genera en una normal átomo de hidrógeno cuando un electrón del giro cambia de estar alineados con los protones para ser anti-alineados con el protón. En $H_2$, un electrón no puede girar flip, ya que entonces sería ocupar el mismo estado que los otros electrones. Incluso si se pudiera, las que difieren de la forma de los orbitales, se iba a producir una línea en un significativamente diferente de la longitud de onda de 21 cm.
Los dos protones, ya que no están en el mismo orbital, puede exhibir un tipo similar de transición como el 21cm línea (es decir, protones giro cambia de alineado a la anti-alineados), pero ya que los protones están muy localizados, masiva, y de lejos, cualquier spin-spin de acoplamiento entre ellos es insignificante. De hecho, cuando se mide, esta transición tiene una frecuencia de sólo 72 kHz, correspondiente a una longitud de onda de más de 4 km.
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El neutro $\mathrm{H}$ atom es un permanente dipolo magnético debido a que el electrón y el protón tienen diferentes g-factores, por lo que no se puede cancelar por completo, incluso cuando sus dipolos magnéticos son anti-alineados.
En el $\mathrm{H}_2$ molécula, por otro lado, los momentos magnéticos se puede cancelar por completo. Eso no quiere decir que se hace en la práctica - no me sorprendería si hay algunos muy larga longitud de onda de la transición que corresponde a voltear la $\mathrm{H}_2$ nuclear espines alineados frente anti-alineados. Lo que hay que tener en cuenta, sin embargo, es que cuanto menor sea la diferencia de energía en el más largo es el tiempo de vida del estado excitado. El deterioro que produce el $21\operatorname{cm}$ línea, por ejemplo, tiene una vida media de alrededor de $11$ millones de años. Que vemos es, en absoluto, es principalmente un factor de la cantidad de hidrógeno en el universo. Yo esperaría un espín nuclear flip transición a ser incluso más bajo de energía en al menos un orden de magnitud.
Todo eso, dijo, @probably_someone la explicación es correcta: los electrones de la nube en $\mathrm{H}_2$ cero girar el estado del suelo, y el principio de exclusión requiere que cualquier no-spin cero estado también debe ser un espacio estado excitado, demasiado.
En detalle, cuando la molécula está en su estado fundamental de los giros son en un total de espín cero estado, $$|s=0\rangle = \frac{|\uparrow\downarrow\rangle - |\downarrow\uparrow\rangle}{\sqrt{2}},$$ y el anti-simetría de las vueltas que permite la distribución espacial de la onda-funciones a ser simétrica, ocupando el mismo más bajo nivel de energía. Cuando el spin estado ha giro total $1$, uno de \begin{align} |s=1\rangle & = |\uparrow\uparrow\rangle, \\ & = |\downarrow\downarrow\rangle, \ \mathrm{or} \\ & = \frac{|\uparrow\downarrow\rangle + |\downarrow\uparrow\rangle}{\sqrt{2}}, \end{align} a continuación, la distribución espacial de la función de onda tiene que ser anti-simétrica, haciendo que la energía del estado significativamente mayor.
