Hydrogen trong thiên hà của chúng ta đã được lập bản đồ bằng cách quan sát vạch phổ 21cm. Tại tần số 1420 MHz, bức xạ do hydrogen phát ra này đi xuyên qua những đám mây bụi và cung cấp cho chúng ta một bản đồ hydrogen hoàn chỉnh hơn bản đồ hydrogen của sao vì ánh sáng nhìn thấy của chúng không có khả năng xuyên qua những đám mây bụi.
Bức xạ 1420 MHz phát sinh từ sự chuyển tiếp giữa hai mức năng lượng của trạng thái cơ bản 1s của hydrogen, chúng hơi tách nhau một chút do sự tương tác giữa spin electron và spin hạt nhân. Sự phân tách như thế được gọi là cấu trúc siêu tinh tế. Do tính chất lượng tử của bức xạ này, hydrogen ở trạng thái năng lượng thấp của nó sẽ hấp thụ 1420 MHz và việc quan sát phổ phát xạ 1420 MHz hàm ý một trạng thái kích thích trước khi lên trạng thái năng lượng cao.
Sự phân tách như thế này của trạng thái hydrogen cơ bản là cực kì nhỏ so với năng lượng trạng thái cơ bản – 13,6 eV, chỉ khoảng bằng hai phần triệu. Hai trạng thái đó phát sinh do thực tế cả spin electron và spin hạt nhân đều là ½ đối với proton, nên có hai trạng thái khả dĩ, spin song song và spin đối song. Trạng thái có spin song song có năng lượng cao hơn một chút (liên kết kém chặt chẽ hơn).
Trong việc hình dung sự chuyển mức dưới dạng đảo lật spin, cần lưu ý rằng tính chất cơ lượng tử gọi là “spin” không có nghĩa đơn giản là một quả cầu tích điện đang quay tròn. Nó là một mô tả của hành trạng của xung lượng góc cơ lượng tử và không có cái tương đương rõ ràng trong vật lí cổ điển.
Việc quan sát vạch phổ 21cm của hydrogen đánh dấu sự ra đời của thiên văn vô tuyến quang phổ học. Nó được quan sát lần đầu tiên vào năm 1951 bởi Harold Ewen và Edward M. Purcell tại Harvard. Nhà thiên văn người Hà Lan H. C. van de Hulst đã dự đoán vạch phổ 21cm có thể quan sát thấy trong phổ phát xạ của hydrogen từ hồi năm 1944.
123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
