Линия 21 см

[Munin]

В наших лабораторных условиях, в отличие от межзвёздного водорода, совершенно другие плотности вещества и совершенно другие температуры.

Каждый отдельный атом - это отдельная квантовая система, со своими уровнями энергии.

Но когда атомы собираются в молекулы, или когда они образуют плотные агрегатные состояния - жидкость, твёрдое тело - у них все их уровни энергии исчезают и меняются на совсем другие. Целой квантовой системой является молекула, или кристалл. Уровни энергии у них совершенно другие.

Кроме этого, огромную роль играет температура. В вакууме и при абсолютном нуле окружающей среды, квантовая система стремится "упасть" на нижний уровень. Но если вокруг высокая температура, то квантовая система получает от среды энергию, и может так же часто переходить на возбуждённые энергетические уровни. Для сравнения энергии и температуры используется постоянная Больцмана, равная 11604,5 кельвин на электронвольт. Таким образом, на нижних уровнях энергии создаётся равновесная заселённость, с одинаково частыми переходами вверх и вниз. Но с достаточно высокого уровня (в сравнении с температурой среды) всё равно квантовая система стремится "свалиться".

Плотность приводит к частым столкновениям атомов или молекул между собой. Из-за этого часто происходят безызлучательные переходы - в которых не излучается и не поглощается фотон, а просто энергия передаётся от одного атома к другому, и / или поглощается или выделяется кинетическая энергия частиц. Кроме этого, плотность может сместить химическое равновесие: в межзвёздной среде атомы могут долго существовать, не соединяясь в какие-то молекулы, просто потому, что никак не могут найти "партнёра". В земных лабораторных условиях такого не бывает.

[DimaM]

Munin в сообщении #1328142 писал(а):

постоянная Больцмана, равная 11604,5 кельвин на электронвольт

(Оффтоп)

Это $1/k$.

[Munin]

Разумеется, но важно именно соотношение между двумя единицами измерения. Уровни мы часто знаем в эВ, а температура нам понятна в К. И постоянная Больцмана связывает эти две шкалы, а как её применять - ясно из размерности.

Например, энергия перехода $\mathrm{L}_\alpha$ в атомарном водороде 10,2 эВ соответствует температуре порядка 100 тысяч градусов, и мы сразу видим, что при комнатной температуре атомы водорода не будут возбуждены никак. Для них комнатная температура - это практически "абсолютный нуль". (Аналогичный результат можно получить, если сравнить длины волн спектральных линий атома водорода, и планковский спектр при нашей комнатной температуре - имеющий максимум в инфракрасной области.)

[qq_2018]

Munin, DimaM, спасибо большое!