La línea de hidrógeno, línea de 21 centímetros o línea H I [1] es la línea espectral de radiación electromagnética que se crea por un cambio en el estado de energía de los átomos de hidrógeno neutro . Esta radiación electromagnética tiene una frecuencia precisa de1 420 405 751 .768(2) Hz , [2] que es equivalente a la longitud de onda de vacío de21.106 114 054 160 (30) cm en espacio libre . Esta longitud de onda cae por debajo de la región de microondas del espectro electromagnético , que comienza en 3,0 GHz (longitud de onda de 10 cm), y se observa con frecuencia en radioastronomía porque esas ondas de radio pueden penetrar las grandes nubes de polvo cósmico interestelar que son opacas a la luz visible . Esta línea es también la base teórica del máser de hidrógeno .
Las microondas de la línea del hidrógeno provienen de la transición atómica de un electrón entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del hidrógeno 1 s que tienen una diferencia de energía de5.874 326 184 1116 (81) μ eV [9.411 708 152 678 (13) × 10 −25 J ]. Se llama la transición spin-flip . La frecuencia, ν , de los cuantos emitidos por esta transición entre dos niveles de energía diferentes viene dada por la relación de Planck-Einstein E = hν . Según esa relación, la energía fotónica de un fotón con una frecuencia de1 420 405 751 .768(2) Hz es5.874 326 184 1116 (81) μ eV [9.411 708 152 678 (13) × 10 −25 J ]. La constante de proporcionalidad , h , se conoce como la constante de Planck .
El estado fundamental del hidrógeno neutro consiste en un electrón unido a un protón . Tanto el electrón como el protón tienen momentos dipolares magnéticos intrínsecos atribuidos a su espín , cuya interacción da como resultado un ligero aumento de energía cuando los espines son paralelos y una disminución cuando son antiparalelos. El hecho de que solo se permitan estados paralelos y antiparalelos es el resultado de la discretización mecánica cuántica del momento angular total del sistema. Cuando los espines son paralelos, los momentos dipolares magnéticos son antiparalelos (porque el electrón y el protón tienen cargas opuestas), por lo que cabría esperar que esta configuración tuviera menos energía .al igual que dos imanes se alinearán de modo que el polo norte de uno esté más cerca del polo sur del otro. Esta lógica falla aquí porque las funciones de onda del electrón y el protón se superponen; es decir, el electrón no se desplaza espacialmente del protón, sino que lo abarca. Por lo tanto, los momentos dipolares magnéticos se consideran mejor como pequeños bucles de corriente. Como las corrientes paralelas se atraen, los momentos dipolares magnéticos paralelos (es decir, espines antiparalelos) tienen menor energía. [3] La transición tiene una diferencia de energía de5.874 33 μeV que cuando se aplica en la ecuación de Planck da:
Esta transición está altamente prohibida con una tasa de transición extremadamente pequeña de2,9 × 10 −15 s −1 , [4] y una vida media del estado excitado de unos 10 millones de años. Es poco probable que se vea una ocurrencia espontánea de la transición en un laboratorio en la Tierra, pero se puede inducir artificialmente usando un máser de hidrógeno . Se observa comúnmente en entornos astronómicos como las nubes de hidrógeno en nuestra galaxia y otras. Debido a su larga vida útil, la línea tiene un ancho natural extremadamente pequeño , por lo que la mayor parte del ensanchamiento se debe a los cambios Doppler causados por el movimiento masivo o la temperatura distinta de cero de las regiones emisoras.
Durante la década de 1930, se notó que había un 'silbido' de radio que variaba en un ciclo diario y parecía ser de origen extraterrestre. Después de las sugerencias iniciales de que esto se debía al Sol, se observó que las ondas de radio parecían propagarse desde el centro de la Galaxia . Estos descubrimientos se publicaron en 1940 y fueron señalados por Jan Oort , quien sabía que se podrían lograr avances significativos en astronomía si hubiera líneas de emisión en la parte de radio del espectro. Refirió esto a Hendrik van de Hulst quien, en 1944, predijo que el hidrógeno neutro podría producir radiación a una frecuencia de1 420 .4058 MHz debido a dos niveles de energía estrechamente espaciados en el estado fundamental del átomo de hidrógeno .