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氢原子的两种精细结构

已有 9721 次阅读 2013-8-1 08:51 |系统分类:科研笔记

氢原子中由于原子核和核外电子的自旋取向不同,分为两种结构,如下图所示

                     

 

 

     

其中总自旋为零的自旋取向反平行的(a)结构较之自旋平行的(b)结构在能量上稍低一些。这一差值很小,仅为6×10-15 GeV。这两种结构均属于氢原子的基态,可以通过吸收和发出光子相互转化。

其中能量稍高的(b)结构通过释放一个波长为21cm的光子转变成(b)结构。这一自旋翻转(spin flip)处于氢原子辐射的禁线,发生的概率极小(约只有2.9×10−15 s−1)。这意味着一个天然氢原子产生这样的跃迁要花费约1000万年,因此在实验室中无法观测。但在星际介质中的天然氢原子含量相当大,可以被电波望远镜轻易观测到。这一点在天文学上有重要应用,被称作21cm线。

 

这里有几个问题:

1)  与上述转变相反,(a)结构吸收光子向(b)结构转变是否很容易发生?要知道这一能量差很低,极小的热扰动能量都比它高许多。

2)  如果(ab)很容易发生,而(ba)被禁止,是否表示天然存在的氢原子中(b)结构占绝对多数?

3)在较冷的星际区域(炽热区发生电离,以质子形式存在),这两种结构所占比例分别是多少?

4)实验室中,一些催化剂(如Raney镍、PdPd/C、半导体表面光催化)表面生成的氢原子这一比例又是多少?

 



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