מה הכוונה בקליטת גלי רדיו מגלקסיות מימן?

[magal101]

מה הכוונה בקליטת גלי רדיו מגלקסיות מימן?

מדען בשם פורסל תרם לאסטרונומיה בכך שגילה גלי רדיו נפלטים מגלקסיות מימן טבעיות (מה זה גלקסיות מימן? הרי בגלקסיות יש כל מיני חומרים).
כמו כן מה זה 21 סנטימטר המפורסם ו-hyperfine splitting

אני מצרף גם את הטקסט המקורי...

Purcell also made contributions to astronomy as the first to detect radio emissions from neutral galactic hydrogen (the famous 21 cm line due to hyperfine splitting), affording the first views of the spiral arms of the Milky Way

 

[BigBadWolf]

הבעיה בתרגום

Galactic hydrogen - מימן שנמצא בחלל
hyperfine splitting - פיצולים של פיק כתוצאה ממעברי אנרגיה שקטנים בהרבה מאלו שגורמים לפיק, בדרך כלל כתוצאה מאינטראקציה עם הגרעין של האטום \ גרעינים של המולקולה.
21 סנטימטר מתייחס לאורך שנפלט מאטומי מימן. אורך גל זה נמצא בתחום גלי הרדיו.

 

[magal101]

הפיצולים האלו מתרחשים באופן טבעי?

מה הכוונה פיק? (לא הצלחתי למצוא את הפירוש של hyperfine)
אתה מדבר בעצם על פיצולים של פיק, משמע מעברי אנרגיה קטנים מאוד, נניח של אלקטרון בין
רמות סמוכות (כשלמיטב ידיעתי יש במימן רק 2 רמות) ואז נפלט פוטון כשמעבר לכך שהוא חלקיק,
הוא גם גל רדיו במשרעת של 21 סנטימטר (בתחום גלי הרדיו)?

 

[החתול של שרדינגר]

הפיצול ההיפר-עדין במימן

רמת היסוד של אטום מימן מתפצלת לשתיים כשלוקחים בחשבון את כיווני הספינים של הפרוטון והאלקטרון. זה פיצול מאד קטן וכשאלקטרון דועך ממצב מעורר (הספינים לאותו כיוון) למצב היסוד (הספינים הפוכים) נפלטת קרינה באורך גל ארוך, 21.1 ס"מ, שהיא בתחום הרדיו.

 

[magal101]

אז לא מדובר בקפיצת אלקטרון בין רמות...

בעצם באטום מימן יש רמה אחת בלבד, אלא במשחקי ספיין שמתרחשים באופן טבעי (או שאולי בהשפעת חלקיקים מהקרינה הקוסמית?)

 

[החתול של שרדינגר]

דווקא כן

ראשית, באטום מימן יש אינסוף רמות אנרגיה, השאלה היא מה האיכלוס שלהן. שנית, לשני מצבי הספין שתיארתי יש אנרגיות שונות ועל כן מדובר ברמות שונות. המעבר בינהן הוא שפולט קרינת רדיו באורך גל של 21 ס"מ.

 

[magal101]

כן, אבל זה לא קשור לרמות...

הפרוטון נמצא בתוך הגרעין והאלקטרון "נמצא" בענן נניח ב"רמה הראשונה"- אפשר גם לראות אותם על אותו מישור ולהגיד שהפיצול הוא שינוי הספיין.
דרך אגב, למה זה קורה? אני יודע שספיין משתנה כאשר מערערים את האטום בעזרת גלי רדיו (זה מה שקורה ב-MRI), האם האטומים בחלל מתערערים בעקבות קרינה
קוסמית או גלי רדיו בחלל?

 

[החתול של שרדינגר]

קצת לגבי רמות אנרגיה באטום

כשאתה מדבר על הרמה הראשונה אתה בטח מתכוון לרמה האלקטרונית הראשונה (זאת ממודל הקליפות: 2 אלק' ברמה הראשונה, 8 בשניה וכו'). זה מודל גס יחסית, שלא מתחשב בהבדלי האנרגיה בגלל ספין. לכן "הרמה הראשונה" מורכבת משני מצבים (ולכן מאכלסת שני אלקטרונים) בעלי אנרגיה זהה.
אם אתה משפר את המודל שלך ע"י התחשבות באפקטים יחסותיים (מה שנקרא המבנה הדק), אתה מקבל שבעצם שמונת המצבים שמרכיבים "הרמה השניה" הם לא בעלי אותה אנרגיה ולכן אתה מקבל פיצול של הרמה השניה לשתי רמות, כ"א מורכבת מארבעה מצבים. תסתכל על האיור הרלוונטי בויקיפדיה.
אם אתה ממשיך לחפור ואתה מתחיל להתייחס לזה שהגרעין הוא לא גוף נקודתי (המבנה העל-דק) אתה מקבל שאפילו שני המצבים שמרכיבים את הרמה הראשונה הם לא בדיוק בעלי אותה אנרגיה אלא יש בינהם קצת הבדל. ככה אתה מקבל את הפיצול של הרמה הראשונה, עם מעבר אנרגטי שמתאים לקרינת רדיו של 21 ס"מ. וכן, אני חושב שהעירור נובע מבליעת קרינה באורך גל האמור.

 

[magal101]

כן, אבל אנחנו מדברים על המימן

למימן, "הבסיס" של כל היסודות יש אלקטרון אחד ופרוטון אחד (בלי נייטרון)- הפרוטון בגרעין ויש אלקטרון אחד ברמה ראשונה ובספיין אחד- אז בעצם שינוי הספיין של האלקטרון, כשהפרוטון בכלל לא קשור, הוא זה שיוצר את גל הרדיו.
דרך אגב- מה המונחים הלועזיים למבנה הדק ולמבנה העל-דק?

 

[החתול של שרדינגר]

הפרוטון קשור

האנרגיה הכוללת של המערכת כאשר הספינים של הפרוטון והאלקטרון נמצאים באותו כיוון שונה מאשר כשהם בכיוונים מנוגדים. הפרש האנרגיות הזה גורם לכך שכשהמערכת עובר ממצב אחד למשנהו נפלטת (או נבלעת) קרינת רדיו.
המונחים הלועזיים הם Fine structure ו- Hyperfine structure. תוכל למצוא עליהם הרבה מידע בויקיפידה.

 

[magal101]

כשאתה אומר כיוון שונה אתה מתכוון...

למושג תיאורטי? כמו כיוונים של קווארקים (למעלה, למטה, קסום, מוזר, תחתון, עליון וכ"ו)- זה לא באמת שהכיוונים של הספיין שונים- פשוט
מצב החלקיק הוא אחר- נכון?

 

[החתול של שרדינגר]

ספין וכיוונים

ספין הוא תנע-זוויתי "בילט-אין" בחלקיק. אפשר לחשוב על זה כאילו החלקיק מסתובב סביב צירו (זה לא שהוא באמת מסתובב, אבל נוח לחשוב על זה ככה). הכיוון של הספין אומר האם החלקיק "מסתובב" ימינה או שמאלה. שוב, הוא לא באמת מסתובב.
שינוי בכיוון הספין הוא פשוט שינוי בתנע הזוויתי. אז כן, הכיוונים של הספינים של הפרוטון והאלקטרון יכולים להיות שונים ממש. אתה יכול לחשוב על זה כאילו הפרוטון מסתובב סביב צירו בכיוון השעון והאלקטרון נגד כיוון השעון (אם יש להם ספינים הפוכים).

למיטב ידיעתי הכיוונים של קווארקים זה משהו אחר ולא ממש קשור לתכונה מרחבית כלשהי.

 

[ב ן ח ו ר י ן]

ולהוסיף לדברי החתול של שרדינגר

ספין היא לא תכונה מרחבית אלא תכונה מגנטית שקשורה לתנע זויתי, לכן היא גם מנוצלת ב-MRI שמשתמש בתהודה מגנטית.
אין הכוונה לסיבוב סביב ציר מסוים למרות שנוח להסתכל על זה כך.

 

[uzi2]

הספין הוא תנע זוויתי.

והוא קשור לסימטריה של חוקי הפיסיקה תחת סיבובים, כך שמבחינה מסויימת הוא כן מרחבי (אם כי הוא נקרא "תנע זוויתי פנימי" לפעמים).
מבחינה מסויימת אין הבדל בין ספין לתנע זוויתי "מרחבי". מה שנשמר במערכות שבהן יש סימטריה של חוקי הפיסיקה תחת סיבובים, הוא הסכום של התנע הזוויתי "המרחבי" והספין, ולא כל אחד בנפרד. לשניהם יש כמובן אותן היחידות.
גם הספין וגם התנע הזוויתי "המרחבי" קשורים לשדה המגנטי באותה צורה. כלומר כאשר יש תנע זוויתי (בין אם מרחבי, ובין אם ספין) יש מומנט מגנטי שפרופרוציונלי אליו. אם כי קבוע הפרופורציה שונה עבור ה- "מרחבי" ועבור "הספין".
האם הספין באמת לא קשור לסיבוב של החלקיק סביב עצמו? ייתכן שקשור. ספין של פרוטון הוא גם הסכום של התנע הזוויתי המרחבי והספין של החלקיקים שמרכיבים אותו (קווארקים, ככלל). ספינים של פרמיונים לא ניתן לתאר במערכות פשוטות כתנע זוויתי מרחבי, אבל במערכות פחות פשוטות (מרחבים עקומים, מרחבים דיסקרטיים...) - זה אפשרי. לכן ייתכן שבכל זאת הספין והתנע הזוויתי המרחבי לא מאוד שונים במהותם.

 

[החתול של שרדינגר]