ISM (1). El átomo de hidrógeno

Este es el primero de una serie de artículos en los que quiero hablar de las diversas formas en que se presenta el hidrógeno en el Medio Interestelar (en inglés ISM) y de qué maneras se puede observar.

El hidrógeno es el elemento más abundante del Universo, el más simple de la naturaleza, el y el que origina todos los demás a través de los procesos de nucleosíntesis que tienen lugar en el interior de las estrellas.

Un átomo de hidrógeno está compuesto por un protón en el núcleo y un electrón que se mueve a su alrededor en unas determinadas regiones llamadas orbitales. Cada orbital tiene asociada una energía, y la mecánica cuántica establece que el electrón no puede estar en cualquier lugar sino solamente en los orbitales definidos.

Para pasar de un orbital a otro, el electrón debe absorber o ceder un fotón cuya energía es la que separa a los orbitales entre los que se produce la transición.

Para ocupar los orbitales más alejados del núcleo, el electrón necesita mayor energía, por lo que debe absorber un fotón con la energía adecuada, mientras que cuando se acerca al núcleo debe ceder la energía que la sobra y emite fotones (uno por cada orbital al que desciende).

Si el electrón absorbe un fotón lo suficientemente energético puede abandonar la estructura de orbitales del átomo. El electrón queda libre y el átomo está ionizado.

Los niveles energéticos del átomo de hidrógeno (elaboración propia)

Todos los niveles pueden desdoblarse por distintas causas en otros niveles muy juntos entre sí (estructura hiperfina).

Es de especial interés el desdoblamiento que se produce en el nivel energético más bajo debido a la diferencia de spin del protón del núcleo y el electrón. En la mecánica cuántica, el spin es un “número cuántico” (una de las cantidades que describe el estado de una partícula) relacionado con el giro. En el átomo de hidrógeno, el protón y el electrón pueden tener spin del mismo sentido (configuración paralela) o de sentido opuesto (configuración antiparalela). Entre las dos configuraciones hay una pequeña diferencia de energía, y el paso de una a otra implica un aporte de energía o la emisión de un fotón, dependiendo del sentido en que se produzca la transición.

Átomo de hidrógeno con spines (representados por las flechas) en configuración paralela (Wikipedia)

La energía de un fotón está determinada por su longitud de onda (o su frecuencia) por la sencilla ecuación:

E = h f

donde E es la energía del fotón, h es una constante (constante de Planck) y f es la frecuencia del fotón.

Recordemos que en la radiación electromagnética la frecuencia y la longitud de onda están ligadas a través de la velocidad de la luz en el vacío por la relación:

l f = c

donde l es la longitud de onda, f es la frecuencia y c es la velocidad de la luz en el vacío.

Por tanto, la energía de un fotón puede escribirse en función de la longitud de onda como:

E= h c / l

Queda claro que a mayor frecuencia (menor longitud de onda) los fotones son más energéticos, por eso las transiciones que acaban en el nivel 1, donde la diferencia de energía entre niveles es la más grande, generan fotones de longitud de onda muy corta, en el ultravioleta.

Estas transiciones permiten la detección del hidrógeno en algunas circunstancias, como veremos en próximos artículos.