Протон атома водорода равновероятно может захватить свободный электрон двумя способами - северным магнитным полюсом (спин J = -1/2) см. рис. 2 и южным магнитным полюсом (спин J = +1/2), см. рис. 1. Существование двух аллотропных форм атомарного водорода подтверждается спектральным анализом. Спектр атомарного водорода имеет дублетную природу из-за наличия двух спинов 1/2+ и 1/2-. Атомарный нейтральный водород может долгое время не образовывать молекулы в случае отсутствия в нем примесей.
Атомарный водород излучает радиоволны с длиной 21 см. Этот сигнал можно обнаружить по всей Вселенной, включая некоторые очень отдалённые галактики. Более половины массы межзвёздного вещества составляет нейтральный водород. Его можно исследовать только по излучению в линии 21 см, поскольку более никак он себя не проявляет.
https://dzen.ru/away?to=https%3A%2F%2Fvk.com%2Fvideo391231910_456239017
Анимация видео 1s+ - 1s- перехода с излучением радиоволны 21 см.
Когда образуется молекула водорода, аллотропные атомы водорода могут соединиться тремя способами см. рис. № 7-9, с суммарным спином:
J=1/2- 1/2+=0 ортоводород
J=1/2+1/2+=1+ параводород
J=1/2- 1/2- =1- параводород
Аллотропные формы молекулярного водорода различны по строению и свойствам. Различие в строении параводорода и ортоводорода отражено в рис. № 7-9.
Молекулы ортоводорода и параводорода практически не взаимодействуют друг с другом и ведут себя как различные модификации вещества с близкими свойствами.
В молекулах параводорода оба магнитных полюса имеют одинаковый знак, либо оба южных (++), либо оба северные(--). Такая молекула диамагнитна, во внешнем магнитном поле она выталкивается из него и стремится занять поперечное положение в плоскости, равноудалённой от магнитных полюсов. Химически параводород более активен, так как один наружный электрон всегда готов вступить в магнитную связь.
Ортоводород химически менее активен, чем параводород. У ортоводорода электроны спрятаны внутри молекулы водорода, а наружные протоны имеют магнитное поле в 660 раз слабее, чем электрон. Парамагнетизм молекулы ортоводорода обеспечивается диполем протонов. На одном конце молекулы ортоводорода северный магнитный полюс (-), на другом конце - южный магнитный полюс (+).
Молекулу удобно представлять как сравнительно жесткую конструкцию, построенную из шариков – атомов. При этом положения центров шариков, совпадающих с ядрами атомов, можно считать строго определёнными.
При температурах выше 100 K отношение орто-водорода к пара-водороду равно 3:1 и не изменяется с ростом температуры. Молекул орто-водорода больше в 3 раза, потому что в магнитно-химической связи участвуют сразу два электрона. А магнитное поле электрона в 660 раз сильнее магнитного поля протона. У пара-водорода в магнитно-химической связи участвует только один электрон и один протон, такая связь слабее и легче рвётся. Молекула H2 достаточно прочная и поэтому молекулярный водород химически малоактивен.
Ионы молекулярного водорода.