Почему молекула ${\rm H}_2$ не имеет постоянного диполя, а нейтральная ${\rm H}\,{\rm\small I}$ имеет его? - физиков.нет
Купить гитару в Москве
7 голосов
/

По данным Национальной радиоастрономической обсерватории , линия $21\,{\rm cm}$ водорода может испускаться нейтральным атомом водорода благодаря магнитному взаимодействию между спинами протона и электрона. Однако говорится, что молекула водорода ${\rm H}_2$ не обладает постоянным диполем и, следовательно, не излучает спектральную линию на радиочастотах. Почему взаимодействие между спинами протона и электронами больше не проявляется, когда мы говорим о молекуле ${\rm H}_2$?

Ответы [ 2 ]

16 голосов
/

$H_2$ содержит 2 электрона на одной орбите основного состояния; по исключению Паули, один должен быть раскручен, а другой - раскручен. Линия 21 см генерируется в нормальном атоме водорода, когда спин электрона переворачивается от выравнивания с протоном к анти-выравниванию с протоном. В $H_2$ спин электрона не может перевернуться, потому что тогда он занял бы то же состояние, что и другой электрон. Даже если бы это было возможно, отличающаяся форма орбитали привела бы к линии на длине волны, значительно отличающейся от 21 см.

Два протона, поскольку они не находятся на одной и той же орбите, могут демонстрировать переход такого же типа, что и линия 21 см (т.е. вращение протона переходит от выровненного к выровненному), но поскольку протоны сильно локализованы, массивные и далеко друг от друга любая спин-спиновая связь между ними незначительна. Действительно, при измерении этот переход имеет частоту всего 72 кГц, что соответствует длине волны более 4 км.

4 голосов
/

Нейтральный $\mathrm{H}$ атом представляет собой диполь с постоянным магнитом, поскольку электрон и протон имеют разные g-факторы , поэтому они не могут полностью аннулироваться, даже если их магнитные диполи не выровнены.

В молекуле $\mathrm{H}_2$ магнитные моменты могут полностью аннулироваться. Это не значит, что они делают это на практике - я не удивлюсь, если бы произошел какой-то чрезвычайно длинноволновый переход, который соответствует перевороту $\mathrm{H}_2$ ядерных спинов, выровненных против анти-выровненных. Однако следует помнить, что чем меньше разница в энергии, тем дольше время жизни возбужденного состояния. Например, затухание, которое приводит к линии $21\operatorname{cm}$, имеет период полураспада , равный примерно $11$ миллионам лет . То, что мы это видим, вообще является фактором количества водорода во вселенной. Я ожидал бы, что переворот ядерного спина будет еще меньшей энергией, по крайней мере, на порядок.

Все это говорит о том, что объяснение @ вероятно_someone верное: электронное облако в $\mathrm{H}_2$ имеет основное состояние с нулевым спином, и принцип исключения требует, чтобы любое состояние без спина с нулем также было пространственно возбужденным.

Подробно, когда молекула находится в своем основном состоянии, спины находятся в состоянии полного спина с нулем, $$|s=0\rangle = \frac{|\uparrow\downarrow\rangle - |\downarrow\uparrow\rangle}{\sqrt{2}},$$ и антисимметрия спинов позволяет пространственным волновым функциям быть симметричными, занимая тот же самый низкий энергетический уровень. Когда состояние вращения имеет полное вращение $1$, один из \ {Начать выравнивать} | s = 1 \ rangle & = | \ uparrow \ uparrow \ rangle, \\ & = | \ downarrow \ downarrow \ rangle, \ \ mathrm {или} \\ & = \ frac {| \ uparrow \ downarrow \ rangle + | \ downarrow \ uparrow \ rangle} {\ sqrt {2}}, \ Конец {} Align тогда пространственная волновая функция должна быть антисимметричной, что значительно увеличивает энергию состояния.

Добро пожаловать на сайт физиков.нет, где вы можете задавать вопросы и получать ответы от других членов сообщества.
...