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（a）→（b）很容易发生，而（b）→（a）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、Pd或Pd/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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