氫線是什么(the Hydrogen Line)？
氫線通常是指星際空間中冷氫氣的射頻發射。在我們的星系和其他星系中有大量的氫漂浮在周圍。其中一些氣體被附近的恒星加熱，導致它在可見光譜中發射電磁輻射，換句話說，光。然而，它的大部分遠離任何熱源，但仍然可以探測到，因...
氫線通常是指星際空間中冷氫氣的射頻發射。在我們的星系和其他星系中有大量的氫漂浮在周圍。其中一些氣體被附近的恒星加熱，導致它在可見光譜中發射電磁輻射，換句話說，光。然而，它的大部分遠離任何熱源，但仍然可以探測到，因為它在光譜的無線電部分發射8.3英寸（21.1厘米）的電磁輻射。這被稱為21厘米線或氫線，它的存在是由1944年，荷蘭天文學家亨德里克·范德赫斯特（Hendrik van de Hulst）在加熱冷氫氣時，會在可見光譜中發出電磁輻射。根據量子理論，原子中的電子只能有一定的固定能級，在這兩者之間什么都沒有。最低的能級被稱為"基態"。電子可以吸收能量，使它們"跳"到更高的能級，但遲早，它們會回到較低的能級，最終回到基態，時間與過剩能量成反比。當一個電子下降到一個能級時，多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來，其頻率與兩個能級之間的能量差相對應。
氫線通常指星際空間中的冷氫氣。電磁輻射的頻率與其能量成正比：能量越大，頻率越高這種關系用普朗克方程描述：E=hf，其中E是能量，f是頻率，h是普朗克常數，其值約為6.626*10-34焦耳秒。波長可以簡單地計算為光速除以頻率。因此，當一個電子從一個高能級下降到一個較低能級時，就會發射出與能量差有關的固定頻率和波長的電磁輻射，這種輻射在發射光譜上表現為窄譜線，每個元素都有一個特性，由一系列特定波長的譜線組成的獨特發射光譜。氫光譜系列包含許多譜線，其中四條譜線在光譜的可見部分。其中一條紅線被稱為H-α，在天文學中被廣泛用于探測星云中的電離氫。這些發射線用于氫可以被看作是一條氫線，但這個術語通常是指冷氫氣在21厘米波長下產生的無線電發射。這是由于不同的物理過程造成的。關于能量、頻率和波長的相同規則仍然適用，然而，電子和質子有一種被稱為"自旋"的量子性質，它可以有兩個可能的方向。由于氫原子由一個質子和一個電子組成，所以它可以有兩個相同方向或不同方向的自旋。在前一種情況下，原子的能量稍多，最終會下降到較低的水平電子通過改變其自旋而形成的能量狀態。額外的能量以電磁輻射的形式發射，由于能量差很小，輻射的波長較長，頻率較低：分別為21厘米和1420.4兆赫這種微小的能量差也意味著，任何一個處于同一自旋狀態的氫原子，平均要花很長時間——幾百萬年——才能下降到相反的自旋態；然而，在一個星系中有如此之多的冷氫，以至于在任何時候都有足夠多的氫原子發射出21厘米的無線電波來探測它們。1951年，哈羅德·埃文和愛德華·珀塞爾探測到了這條21厘米長的線。這條線在射電天文學中是至關重要的。我們銀河系的大部分區域被不允許來自恒星的光通過的大塵埃云。然而，無線電波不受塵埃云的阻礙，而且由于銀河系中有大量的冷氫，因此可以利用氫線的射電發射來觀測和繪制星系圖。射電天文學利用氫線，使我們能夠確定大小，我們銀河系的形狀和結構。氫線對尋找外星智能（SETI）也有重要意義。人們認為，一個技術先進的文明可能會利用這個頻率來嘗試與其他文明交流。這個頻率不僅用于監聽"先鋒10號"和"11號"宇宙飛船注定要無限期地在星際空間中漂移，它們包含了描述氫線、氫線波長、頻率以及氫線背后的物理現象的石板。它代表著一種據信外星人可能理解的測量單位。
氫線通常指星際空間中的冷氫氣。電磁輻射的頻率與其能量成正比：能量越大，頻率越高這種關系用普朗克方程描述：E=hf，其中E是能量，f是頻率，h是普朗克常數，其值約為6.626*10-34焦耳秒。波長可以簡單地計算為光速除以頻率。因此，當一個電子從一個高能級下降到一個較低能級時，就會發射出與能量差有關的固定頻率和波長的電磁輻射，這種輻射在發射光譜上表現為窄譜線，每個元素都有一個特性，由一系列特定波長的譜線組成的獨特發射光譜。氫光譜系列包含許多譜線，其中四條譜線在光譜的可見部分。其中一條紅線被稱為H-α，在天文學中被廣泛用于探測星云中的電離氫。這些發射線用于氫可以被看作是一條氫線，但這個術語通常是指冷氫氣在21厘米波長下產生的無線電發射。這是由于不同的物理過程造成的。關于能量、頻率和波長的相同規則仍然適用，然而，電子和質子有一種被稱為"自旋"的量子性質，它可以有兩個可能的方向。由于氫原子由一個質子和一個電子組成，所以它可以有兩個相同方向或不同方向的自旋。在前一種情況下，原子的能量稍多，最終會下降到較低的水平電子通過改變其自旋而形成的能量狀態。額外的能量以電磁輻射的形式發射，由于能量差很小，輻射的波長較長，頻率較低：分別為21厘米和1420.4兆赫這種微小的能量差也意味著，任何一個處于同一自旋狀態的氫原子，平均要花很長時間——幾百萬年——才能下降到相反的自旋態；然而，在一個星系中有如此之多的冷氫，以至于在任何時候都有足夠多的氫原子發射出21厘米的無線電波來探測它們。1951年，哈羅德·埃文和愛德華·珀塞爾探測到了這條21厘米長的線。這條線在射電天文學中是至關重要的。我們銀河系的大部分區域被不允許來自恒星的光通過的大塵埃云。然而，無線電波不受塵埃云的阻礙，而且由于銀河系中有大量的冷氫，因此可以利用氫線的射電發射來觀測和繪制星系圖。射電天文學利用氫線，使我們能夠確定大小，我們銀河系的形狀和結構。氫線對尋找外星智能（SETI）也有重要意義。人們認為，一個技術先進的文明可能會利用這個頻率來嘗試與其他文明交流。這個頻率不僅用于監聽"先鋒10號"和"11號"宇宙飛船注定要無限期地在星際空間中漂移，它們包含了描述氫線、氫線波長、頻率以及氫線背后的物理現象的石板。它代表著一種據信外星人可能理解的測量單位。
- 發表于 2020-09-07 00:39
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- 分類：科學教育
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