✖


Jump to content

Водородная линия

О линиях водорода в целом см. Спектральные серии водорода .

Атом водорода с выровненными спинами протона и электрона (вверху) претерпевает переворот спина электрона, что приводит к испусканию фотона с длиной волны 21 см (внизу).

Водородная линия , линия 21 сантиметр или линия HI. [а] Спектральная линия возникающая в результате изменения энергетического состояния одиночных , электрически нейтральных атомов водорода . Он возникает в результате спин -флип-перехода, что означает, что направление спина электрона меняется на противоположное относительно спина протона. Это квантового состояния между двумя сверхтонкими уровнями водорода основного состояния . изменение Электромагнитное излучение , создающее эту линию, имеет 420 , частоту 1 405 751 768 ( 2) МГц (1,42 ГГц), [1] что эквивалентно волны длине 21,106 114 054 160 (30) см в вакууме . Согласно соотношению Планка–Эйнштейна E = hν , фотон испускаемый при этом переходе, имеет 5,874 [ 326 184 1116 ( 81) мкэВ энергию 9,411 708 152 678 ( 13) × 10 −25 Дж ]. Константа пропорциональности h . известна как Планка постоянная

Частота линии водорода лежит в L-диапазоне , который расположен в нижнем конце микроволновой области электромагнитного спектра . Его часто наблюдают в радиоастрономии , поскольку эти радиоволны могут проникать через большие облака межзвездной космической пыли , непрозрачные для видимого света . Существование этой линии было предсказано голландским астрономом Х. ван де Хюлстом в 1944 году, а затем непосредственно наблюдалось Э. М. Перселлом и его учеником Х. Э. Юэном в 1951 году. Наблюдения за линией водорода были использованы для выявления спиральной формы Млечного Пути . рассчитать массу и динамику отдельных галактик, а также проверить изменения постоянной тонкой структуры с течением времени. Это имеет особое значение для космологии , поскольку может быть использовано для изучения ранней Вселенной. Благодаря своим фундаментальным свойствам эта линия представляет интерес для поиска внеземного разума . Эта линия является теоретической основой водородного мазера .

Причина [ править ]

Дополнительная информация: Сверхтонкая структура.

Атом нейтрального водорода состоит из электрона, связанного с протоном . Самое низкое стационарное энергетическое состояние связанного электрона называется его основным состоянием . И электрон, и протон имеют собственные магнитные дипольные моменты, приписываемые их спину , взаимодействие которых приводит к небольшому увеличению энергии, когда спины параллельны, и к уменьшению, когда антипараллельны. Тот факт, что допускаются только параллельные и антипараллельные состояния, является результатом квантовомеханической дискретизации полного углового момента системы. Когда спины параллельны, магнитные дипольные моменты антипараллельны (поскольку электрон и протон имеют противоположный заряд), поэтому можно было бы ожидать, что эта конфигурация на самом деле будет иметь более низкую энергию, так же как два магнита выровняются так, что северный полюс одного из них находится ближе всего к южный полюс другого. Эта логика здесь не работает, потому что волновые функции электрона и протона перекрываются; то есть электрон не смещен в пространстве от протона, а охватывает его. Поэтому магнитные дипольные моменты лучше всего рассматривать как крошечные токовые петли. Поскольку параллельные токи притягиваются, параллельные магнитные дипольные моменты (т.е. антипараллельные спины) имеют меньшую энергию. [2]

В основном состоянии спин-флип переход между этими выровненными состояниями имеет разность энергий 5,874· 33 мкэВ . Применительно к соотношению Планка это дает:

где λ — длина волны излучаемого фотона, ν — его частота , E — энергия фотона, h — постоянная Планка , а c — скорость света . В лабораторных условиях параметры водородной линии были более точно измерены как:

λ = 21,106 114 054 160 (30) см
ν = 1 420 405 751 .768(2) Гц

в вакууме. [3]

Этот переход строго запрещен с чрезвычайно малой скоростью перехода 2,9 × 10 −15 с −1 , [4] и среднее время жизни возбужденного состояния около 11 миллионов лет. [3] Столкновения нейтральных атомов водорода с электронами или другими атомами могут способствовать излучению фотонов длиной 21 см. [5] Спонтанное возникновение перехода вряд ли можно будет увидеть в лаборатории на Земле, но его можно вызвать искусственно посредством стимулированного излучения с помощью водородного мазера . [6] Его обычно наблюдают в астрономических условиях, таких как водородные облака в нашей галактике и других. Из-за принципа неопределенности его длительное время жизни придает спектральной линии чрезвычайно малую естественную ширину , поэтому наибольшее уширение происходит из-за доплеровских сдвигов, вызванных объемным движением или ненулевой температурой излучающих областей. [7]

Открытие [ править ]

Рупорная антенна, использованная Юэном и Перселлом для первого обнаружения излучения линий водорода из Млечного Пути.

В 1930-х годах было замечено, что по радио раздавалось «шипение», которое менялось в зависимости от ежедневного цикла и, по-видимому, имело внеземное происхождение. После первоначальных предположений, что это произошло из-за Солнца, было замечено, что радиоволны, похоже, распространяются из центра Галактики . Эти открытия были опубликованы в 1940 году и отмечены Яном Оортом существовали эмиссионные линии , который знал, что в астрономии можно было бы добиться значительных успехов, если бы в радиочасти спектра . Он сообщил об этом Хендрику ван де Хюлсту , который в 1944 году предсказал, что нейтральный водород может производить излучение на 1420,4058 частоте МГц основном благодаря двум близко расположенным энергетическим уровням в состоянии атома водорода . [8]

Линия длиной 21 см (1420,4 МГц) была впервые обнаружена в 1951 году Юэном и Перселлом в Гарвардском университете . [9] и опубликованы после того, как их данные были подтверждены голландскими астрономами Мюллером и Оортом. [10] и Кристиансен и Хиндман в Австралии. После 1952 года были составлены первые карты нейтрального водорода в Галактике и впервые раскрыта спиральная структура Млечного Пути . [11] [12]

Использует [ править ]

В радиоастрономии [ править ]

Спектральная линия длиной 21 см появляется в радиоспектре ( точнее, в -диапазоне УВЧ -диапазона микроволнового окна L ). Электромагнитная энергия в этом диапазоне может легко проходить через атмосферу Земли и наблюдаться с Земли с небольшими помехами. [13] Линия водорода может легко проникать сквозь облака межзвездной космической пыли , непрозрачные для видимого света . [14] Если предположить, что атомы водорода равномерно распределены по всей галактике, то на каждом луче зрения через галактику будет видна линия водорода. Единственная разница между каждой из этих линий — это доплеровский сдвиг, который имеет каждая из этих линий. Следовательно, предположив круговое движение , можно вычислить относительную скорость каждого рукава нашей галактики. Кривая вращения нашей галактики рассчитана по линии водорода 21 см . Затем можно использовать график кривой вращения и скорости для определения расстояния до определенной точки внутри галактики. Однако ограничением этого метода является то, что отклонения от кругового движения наблюдаются в различных масштабах. [15]

Наблюдения за линиями водорода косвенно использовались для расчета массы галактик. [16] установить ограничения на любые изменения с течением времени константы тонкой структуры , [17] и изучить динамику отдельных галактик. магнитного поля Напряженность межзвездного пространства можно измерить, наблюдая эффект Зеемана на линии 21 см; задача, которую впервые выполнил Г.Л. Вершуур в 1968 г. [18] Теоретически можно искать атомы антиводорода , измеряя поляризацию линии 21 см во внешнем магнитном поле. [19]

Дейтерий имеет аналогичную сверхтонкую спектральную линию на частоте 91,6 см (327 МГц), и относительную силу линии 21 см по сравнению с линией 91,6 см можно использовать для измерения отношения дейтерия к водороду (D/H). Одна группа в 2007 году сообщила, что соотношение D/H в галактическом антицентре составляет 21 ± 7 частей на миллион. [20]

В космологии [ править ]

Эта линия представляет большой интерес в космологии Большого взрыва , поскольку это единственный известный способ исследовать космологические « темные века » от рекомбинации (когда впервые образовались стабильные атомы водорода) до реионизации . С учетом красного смещения эта линия будет наблюдаться на Земле на частотах от 200 МГц до примерно 15 МГц. [21] Потенциально он имеет два применения. Во-первых, картируя интенсивность красного смещенного 21-сантиметрового излучения, можно, в принципе, дать очень точную картину спектра мощности материи в период после рекомбинации. [22] Во-вторых, это может дать представление о том, как Вселенная была повторно ионизирована. [23] поскольку нейтральный водород, ионизированный излучением звезд или квазаров, будет выглядеть как дыры на фоне высотой 21 см. [24] [7]

Однако наблюдения на высоте 21 см провести очень сложно. Наземные эксперименты по наблюдению слабого сигнала страдают от помех со стороны телевизионных передатчиков и ионосферы . [23] поэтому их необходимо производить из очень укромных мест, стараясь исключить помехи. Чтобы компенсировать это, были предложены космические эксперименты, даже на обратной стороне Луны (где они будут защищены от помех наземных радиосигналов). [25] Мало что известно о других эффектах переднего плана, таких как синхротронное излучение и свободное-свободное излучение галактики. [26] Несмотря на эти проблемы, наблюдения на волне 21 см, наряду с космическими наблюдениями за гравитационными волнами, обычно рассматриваются как следующий великий рубеж в наблюдательной космологии после поляризации космического микроволнового фона . [27]

поиска нечеловеческой разумной Актуальность для жизни

Сверхтонкий переход водорода, изображенный на космических кораблях «Пионер» и «Вояджер».

Табличка «Пионер» , прикрепленная к космическим кораблям «Пионер-10» и «Пионер-11» , изображает сверхтонкий переход нейтрального водорода, а длина волны используется в качестве стандартной шкалы измерения. Например, рост женщины на изображении отображается как восемь раз по 21 см, или 168 см. Точно так же частота водородного спин-флип-перехода использовалась для единицы времени на карте Земли, включенной в мемориальные доски «Пионер», а также на зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» . На этой карте показано положение Солнца относительно 14 пульсаров , период вращения которых около 1977 года кратен частоте водородного спин-флип-перехода. Создатели мемориальной доски предполагают, что тогда развитая цивилизация сможет использовать местоположение этих пульсаров для определения местоположения Солнечной системы во время запуска космического корабля. [28] [29]

Линия водорода длиной 21 см рассматривается программой SETI в качестве благоприятной частоты для поиска сигналов от потенциальных внеземных цивилизаций. В 1959 году итальянский физик Джузеппе Коккони и американский физик Филип Моррисон опубликовали статью «В поисках межзвездных коммуникаций», в которой предлагались линия водорода длиной 21 см и потенциал микроволн в поисках межзвездных коммуникаций. По словам Джорджа Басаллы, статья Коккони и Моррисона «обеспечила разумную теоретическую основу» для зарождавшейся тогда программы SETI. [30] Точно так же Петр Маковецкий предложил SETI использовать частоту, равную либо

0 π × 1 420 ,405 751 77 МГц ≈ 4,462 336 27 ГГц

или

2 π × 1 420 ,405 751 77 МГц ≈ 8,924 672 55 ГГц

Поскольку π — иррациональное число , такая частота не может быть создана естественным путем как гармоника и явно указывает на ее искусственное происхождение. Такой сигнал не будет подавляться самой линией H I или какой-либо из ее гармоник. [31]

См. также [ править ]

Сноски [ править ]

  1. ^ «I» в H I — римская цифра , поэтому произносится как «H one». Ее также называют линией «нейтрального водорода», и слушатель должен из контекста сделать вывод, что имеется в виду «холодный нейтральный водород» на частоте 1420,4 МГц или 0,211 м.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хельвиг, Гельмут; и др. (1970). «Измерение частоты невозмущенного сверхтонкого перехода водорода» (PDF) . Транзакции IEEE по приборостроению и измерениям . ИМ-19 (4): 200. Бибкод : 1970ITIM...19..200H . дои : 10.1109/TIM.1970.4313902 . Проверено 30 апреля 2023 г.
  2. ^ Гриффитс, ди-джей (1982). «Сверхтонкое расщепление в основном состоянии водорода». Американский журнал физики . 50 (8): 698–703. Бибкод : 1982AmJPh..50..698G . дои : 10.1119/1.12733 .
  3. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Мхаске, Ашиш А.; и др. (август 2022 г.). «Конструкция радиотелескопа с бозе-рупорной антенной (BHARAT) для экспериментов с водородной линией длиной 21 см для преподавания радиоастрономии». arXiv : 2208.06070 [ astro-ph.IM ].
  4. ^ Визе, В.Л.; Фур, младший (24 июня 2009 г.). «Точные вероятности атомных переходов для водорода, гелия и лития» . Журнал физических и химических справочных данных . 38 (3): 565–720. Бибкод : 2009JPCRD..38..565W . дои : 10.1063/1.3077727 . ISSN   0047-2689 .
  5. ^ Нуссер, Ади (май 2005 г.). «Температура вращения нейтрального водорода во время космической предреионизации». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 359 (1): 183–190. arXiv : astro-ph/0409640 . Бибкод : 2005MNRAS.359..183N . дои : 10.1111/j.1365-2966.2005.08894.x . S2CID   11547883 .
  6. ^ Рэмси, Норман Ф. (январь 1965 г.). «Мазер на атомарном водороде» (PDF) . Метрология . 1 (1): 7–15. Бибкод : 1965Метро...1....7R . дои : 10.1088/0026-1394/1/1/004 . S2CID   250873158 . Проверено 27 апреля 2023 г.
  7. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Причард, Джонатан Р.; Леб, Авраам (август 2012 г.). «Космология 21 см в XXI веке». Отчеты о прогрессе в физике . 75 (8): 086901. arXiv : 1109.6012 . Бибкод : 2012РПФ...75х6901П . дои : 10.1088/0034-4885/75/8/086901 . ПМИД   22828208 . S2CID   41341641 . 086901.
  8. ^ Перселл, Э.М. (1953). «Линейные спектры в радиоастрономии». Труды Американской академии искусств и наук . 82 (7): 347–349. дои : 10.2307/20023736 . JSTOR   20023736 .
  9. ^ Юэн, Привет; Перселл, Э.М. (сентябрь 1951 г.). «Наблюдение линии в галактическом радиоспектре: излучение галактического водорода со скоростью 1420 Мгц/сек». Природа . 168 (4270): 356. Бибкод : 1951Natur.168..356E . дои : 10.1038/168356a0 . S2CID   27595927 .
  10. ^ Мюллер, Калифорния; Оорт, Дж. Х. (сентябрь 1951 г.). «Межзвездная линия водорода со скоростью 1420 Мгц / сек и оценка вращения галактики». Природа . 168 (4270): 357–358. Бибкод : 1951Natur.168..357M . дои : 10.1038/168357a0 . S2CID   32329393 .
  11. ^ ван де Хюлст, ХК; и др. (май 1954 г.). «Спиральная структура внешней части Галактической системы, возникшая в результате излучения водорода на длине волны 21 см». Бюллетень астрономических институтов Нидерландов . 12 : 117. Бибкод : 1954БАН....12..117В .
  12. ^ Вестерхаут, Г. (май 1957 г.). «Распределение атомарного водорода во внешних частях Галактической системы». Бюллетень астрономических институтов Нидерландов . 13 : 201. Бибкод : 1957BAN....13..201W .
  13. ^ Боудич, Натаниэль (2002). «10. Радиоволны» (PDF) . Американский практический навигатор: воплощение навигации. Выпуск к двухсотлетию 2002 года . Национальное агентство изображений и картографии. п. 158 . Проверено 28 апреля 2023 г. Небесные волны не используются в диапазоне УВЧ, поскольку ионосфера недостаточно плотна, чтобы отражать волны, проходящие через нее, в космос. ... Прием сигналов УВЧ практически не подвержен замираниям и помехам от атмосферных шумов.
  14. ^ Винн-Уильямс, Гарет (1992). Полнота космоса . Издательство Кембриджского университета. п. 36. ISBN  9780521426381 .
  15. ^ Керр, Фрэнк Дж. (1969). «Крупномасштабное распределение водорода в галактике». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики . 7 : 39. Бибкод : 1969ARA&A...7...39K . дои : 10.1146/annurev.aa.07.090169.000351 .
  16. ^ Робертс, Мортон С. (сентябрь 1969 г.). «Интегральные свойства спиральных и неправильных галактик» . Астрономический журнал . 74 : 859–876. Бибкод : 1969AJ.....74..859R . дои : 10.1086/110874 .
  17. ^ Дринкуотер, MJ; Уэбб, Дж. К.–; Барроу, доктор медицинских наук; Фламбаум, В.В. (апрель 1998 г.). «Новые пределы возможного изменения физических констант». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 295 (2): 457–462. arXiv : astro-ph/9711290 . Бибкод : 1998MNRAS.295..457D . дои : 10.1046/j.1365-8711.1998.2952457.x . S2CID   5938714 .
  18. ^ Вершуур, Г.Л. (сентябрь 1968 г.). «Положительное определение межзвездного магнитного поля путем измерения зеемановского расщепления линии водорода длиной 21 см». Письма о физических отзывах . 21 (11): 775–778. Бибкод : 1968PhRvL..21..775V . doi : 10.1103/PhysRevLett.21.775 .
  19. ^ Соловьев Дмитрий; Лабзовский, Леонтий (ноябрь 2014 г.). «Профиль линии поглощения 21 см как инструмент поиска антивещества во Вселенной» . Успехи теоретической и экспериментальной физики . 2014 (11): 111E01. Бибкод : 2014PTEP.2014k1E01S . дои : 10.1093/ptep/ptu142 . 111Е016.
  20. ^ Роджерс, AEE; Дюдевуар, Калифорния; Баня, ТМ (9 марта 2007 г.). «Наблюдения сверхтонкого перехода дейтерия на частоте 327 МГц» . Астрономический журнал . 133 (4): 1625–1632. дои : 10.1086/511978 . ISSN   1538-3881 . S2CID   15541399 .
  21. ^ Питерс, Венди М.; и др. (январь 2011 г.). «Линии радиорекомбинации на декаметровых волнах: перспективы на будущее». Астрономия и астрофизика . 525 . arXiv : 1010.0292 . Бибкод : 2011A&A...525A.128P . дои : 10.1051/0004-6361/201014707 . S2CID   53582482 . А128.
  22. ^ Фиалков А.; Леб, А. (ноябрь 2013 г.). «Сигнал 21 см из космологической эпохи рекомбинации». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2013 (11): 066. arXiv : 1311.4574 . Бибкод : 2013JCAP...11..066F . дои : 10.1088/1475-7516/2013/11/066 . S2CID   250754168 . 066.
  23. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Меллема, Гаррелт; и др. (октябрь 2006 г.). «Моделирование космической реионизации в больших масштабах - II. Особенности эмиссии 21 см и статистические сигналы». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 372 (2): 679–692. arXiv : astro-ph/0603518 . Бибкод : 2006МНРАС.372..679М . дои : 10.1111/j.1365-2966.2006.10919.x . S2CID   16389221 .
  24. ^ Колер, Катарина; и др. (ноябрь 2005 г.). «Смещенное в красное излучение на 21 см в эпоху до реионизации. II. Области H II вокруг отдельных квазаров». Астрофизический журнал . 633 (2): 552–559. arXiv : astro-ph/0501086 . Бибкод : 2005ApJ...633..552K . дои : 10.1086/444370 . S2CID   15210736 .
  25. ^ Бернс, Джек О. (январь 2021 г.). «Преобразовательная наука с обратной стороны Луны: наблюдения темных веков и экзопланетных систем на низких радиочастотах» . Философские труды Королевского общества А. 379 (2188). arXiv : 2003.06881 . Бибкод : 2021RSPTA.37990564B . дои : 10.1098/rsta.2019.0564 . ПМЦ   7739898 . ПМИД   33222645 . 20190564.
  26. ^ Ван, Сяоминь; и др. (октябрь 2006 г.). «Томография 21 см на переднем плане». Астрофизический журнал . 650 (2): 529–537. arXiv : astro-ph/0501081 . Бибкод : 2006ApJ...650..529W . дои : 10.1086/506597 . S2CID   119595472 .
  27. ^ Купманс, Леон В.Е.; и др. (июнь 2021 г.). «Вглядывание в темноту (веки) с помощью низкочастотных космических интерферометров» . Экспериментальная астрономия . 51 (3): 1641–1676. Бибкод : 2021ExA....51.1641K . дои : 10.1007/s10686-021-09743-7 . ПМЦ   8416573 . ПМИД   34511720 .
  28. ^ Розенталь, Джейк (20 января 2016 г.). «Пионерская табличка: наука как универсальный язык» . Планетарное общество . Проверено 26 апреля 2023 г.
  29. ^ Чапова, Клара Анна (18 октября 2021 г.). «Знакомство людей с инопланетянами: новаторские миссии зондов «Пионер» и «Вояджер» . Границы в человеческой динамике . 3 . Frontiers Media SA doi : 10.3389/fhumd.2021.714616 .
  30. ^ Басалла, Джордж (2006). Цивилизованная жизнь во Вселенной . Издательство Оксфордского университета . стр. 133–135 . ISBN  978-0-19-517181-5 .
  31. ^ Makovetsky, P. "Смотри в корень" [Look at the root] (in Russian).

Дальнейшее чтение [ править ]

Космология [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrogen_line&oldid=1211436503"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2ee46451bf49e47f8c37824fcbe367b0__1709382060
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2e/b0/2ee46451bf49e47f8c37824fcbe367b0.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hydrogen line - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)