Hidrojen çizgisi

Hidrojen çizgisi ya da 21 cm çizgisi, uzaydaki nebulaların yaydığı 21 cm dalga boyuna sahip bir ışınımdır. Bu ışınımın varlığı kuramsal olarak Hollandalı astronom H.C. van de Hulst tarafından öne sürülmüş, 1951 yılında da saptanmıştır.

Hidrojen atomunda elektron ve proton spinleri. Üst şekilde paralel spin. Alt şekilde ise ters spin haline geçerken atomum yaydığı ışınım.

Hidrojen atomu

Işınımın kaynağı evrende en bol bulunan element olan hidrojendir. Hidrojen atomu bir elektron ve bir protondan meydana gelir. Gerek proton ve gerekse elektronun spin hareketi vardır. Proton ve elektronun spini kimi atomlarda aynı yönde yani paralel, kimi atomlarda ise ters yöndedir. Bu iki durum arasında küçük te olsa bir enerji farkı vardır. Paralel spinli atomlar ters spinli atomlardan daha yüksek enerjiye sahiptir. Bu fark;

$E\approx 5.874\cdot 10^{-6}eV$

ya da joule cinsinden,

$E=5.874\cdot 10^{-6}\cdot 1.602\cdot 10^{-19}=9.41\cdot 10^{-25}J$

En düşük enerji düzeyindeki bir hidrojen atomunda elektron spini çevre bulutsularin ısısı sebebiyle değişebilir ve enerji düzeyi artabilir. Spinin tekrar eski halime gelmesi için yaklaşık 10 milyon yıl geçer. Bu sürenin sonunda spin yeniden eski haline gelirken, atom fazladan enerjiyi ışınım olarak yayınlar.Bu ışınımın frekansı Planck formülüne göre;

$f={\frac {E}{h}}$

Bu formüldeki h Planck sabitidir ve SI birimlerinde değeri

$h\approx 6.626\cdot 10^{-34}$

Buna göre;

$f={\frac {9.41\cdot 10^{-25}}{6.626\cdot 10^{-34}}}=1.42\cdot 10^{9}$ Hz

Dalga boyu da

$\lambda ={\frac {c}{f}}={\frac {3\cdot 10^{8}}{1.42\cdot 10^{9}}}=0.21$ m = $21$ cm

Astronomide 21 cm ışınımı

Tek bir atomun 21 cm dalga boyunda bir foton yayınlaması için yaklaşık 10 milyon yıl geçmesi gerekir. Ancak dev nebulalarda ki madde miktarı o kadar çoktur ki bu nebulalar her an Dünya'dan izlenecek kadar 21 cm ışınımı yaparlar. Bu ışınım radyo astronomide büyük öneme sahiptir. Çünkü arka plandaki ışıklı kaynakları perdeleyen sisli bölgeler 21 cm. ışınımına saydamdır ve bu ışınımdan yararlanarak görünmeyen bölgelerin haritaları çizilebilir. Astronomlar nebulaların hareketini izlemek için 21 cm ışınımını izler ve bu ışınımdaki kırmızıya kayma veya maviye kayma miktarına bakarak bu nebulaların uzaklaşma veya yaklaşma süratlerini hesaplarlar.