la raie à 21 CENTIMETRES par Marcel BESNIER
La définition de la raie à 21 cm produite par les immenses nuages dhydrogène atomique est plutôt indigeste : Lémission de la raie à 21 cm est due à une transition atomique entre les deux sous niveaux de la structure fine du niveau fondamental de latome dhydrogène ! ! ! ? ? Décortiquons la pour comprendre : Un atome dhydrogène, cest simple, il ny a même rien de plus simple dans lunivers car son noyau est constitué dun seul proton de charge électrique positive avec un électron négatif, 1836 fois moins massif, qui lui tourne autour. La mécanique quantique nous enseigne que cet électron a des orbites possibles bien définies autour du noyau. Elles sont identiques pour tous les atomes dhydrogène. Ces orbites sont appelées niveaux dénergie . Le niveau dénergie le plus faible correspond à lorbite la plus proche du noyau, cest le niveau fondamental. Lélectron occupe cette orbite quand aucun agent extérieur ne vient lexciter comme dans les grands nuages froids du cosmos. Revenons à notre électron, il parcourt donc son orbite autour du noyau mais en plus il tourne sur lui-même en un mouvement de rotation appelé spin . Il faut savoir que le spin est une propriété commune à toutes les particules, donc le proton qui constitue le noyau a son propre spin, son propre sens de rotation. Or lélectron peut adopter les deux sens de rotation tantôt dans le même sens que le proton, tantôt dans le sens contraire. Ces deux sens de rotation déterminent les deux sous niveaux dont on parle plus haut. Quand lélectron et le proton ont le même sens de rotation ( des spin parallèles ) lénergie de lélectron est très légèrement supérieure à lautre cas de figure où les spin sont dits anti-parallèles Quand lélectron saute du sous niveau haut sur le sous niveau bas il restitue lénergie acquise en émettant cette fameuse raie. La différence dénergie entre ces deux sous niveaux étant très faible, de lordre de 10-6 électron volt, la radiation se situe dans les micro ondes à 21 cm de longueur donde. Cela correspond à une fréquence de 1420,4 MHz. Cette transition atomique entre ces 2 sous niveau à une très faible probabilité de se produire : un atome dhydrogène abandonné dans le niveau supérieur mettra plusieurs millions dannées à retomber au niveau inférieur. Malgré cela il y a tellement datomes dhydrogène dans le milieu interstellaire que cette raie à une intensité appréciable. Jai parlé uniquement dhydrogène atomique, en effet lhydrogène se trouve également sous sa forme moléculaire : H 2. Dans ce cas les 2 atomes sont liés par les nuages électroniques : ils se prêtent mutuellement leur électron de façon à remplir les 2 sous niveaux en permanence. Dans ce cas aucune transition atomique nest possible car les lois de la mécanique quantique interdisent à 2 électrons de se trouver sur le même sous niveaux. Cest le principe dexclusion. Il est curieux de noter que de structures aussi gigantesques que les nuages interstellaires laissent la parole à un petit électron denviron 10-27 grammes, cest linfiniment petit du monde des particules qui dirigent lunivers. |
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Les deux états de l'électron | |