Warum hat das Molekül H2H2{\rm H}_2 keinen permanenten Dipol, während das neutrale HIHI{\rm H}\,{\rm\small I} einen hat?

$H_2$enthält 2 Elektronen im selben Orbital im Grundzustand; nach Pauli-Ausschluss muss einer Spin-up und der andere Spin-down sein. Die 21-cm-Linie wird in einem normalen Wasserstoffatom erzeugt, wenn der Spin eines Elektrons von einer Ausrichtung mit dem Proton zu einer Anti-Ausrichtung mit dem Proton umkehrt. In$H_2$, kann der Spin eines Elektrons nicht kippen, weil es dann den gleichen Zustand wie das andere Elektron einnehmen würde. Selbst wenn dies möglich wäre, würde die unterschiedliche Form des Orbitals eine Linie mit einer deutlich anderen Wellenlänge als 21 cm erzeugen.

Die beiden Protonen können, da sie sich nicht im selben Orbital befinden, eine ähnliche Art von Übergang aufweisen wie die 21-cm-Linie (dh Protonenspin wechselt von ausgerichtet zu anti-ausgerichtet), aber da die Protonen stark lokalisiert, massiv und weit entfernt sind Abgesehen davon ist jede Spin-Spin-Kopplung zwischen ihnen unbedeutend. Gemessen hat dieser Übergang tatsächlich eine Frequenz von nur 72 kHz, was einer Wellenlänge von über 4 km entspricht.

Der Neutrale$\mathrm{H}$Atom ist ein permanentmagnetischer Dipol, da das Elektron und das Proton unterschiedliche g-Faktoren haben, sodass sie sich nicht vollständig aufheben können, selbst wenn ihre magnetischen Dipole anti-ausgerichtet sind.

Im$\mathrm{H}_2$Molekül hingegen können sich die magnetischen Momente vollständig aufheben. Das heißt nicht, dass sie dies in der Praxis tun - ich wäre nicht überrascht, wenn es einen extrem langwelligen Übergang gäbe, der dem Umdrehen entspricht$\mathrm{H}_2$Kernspins ausgerichtet vs. anti-ausgerichtet. Zu beachten ist jedoch, dass die Lebensdauer des angeregten Zustands umso länger ist, je geringer die Energiedifferenz ist. Der Zerfall, der die produziert$21\operatorname{cm}$Linie hat zum Beispiel eine Halbwertszeit von ca$11$Millionen Jahre . Dass wir ihn überhaupt sehen, hängt in erster Linie von der Wasserstoffmenge im Universum ab. Ich würde erwarten, dass ein Kernspin-Flip-Übergang um mindestens eine Größenordnung noch energieärmer ist.

Alles in allem ist die Erklärung von @probably_someone richtig: die Elektronenwolke ist drin$\mathrm{H}_2$hat einen Spin-Null-Grundzustand, und das Ausschlussprinzip erfordert, dass jeder Nicht-Spin-Nullzustand auch ein räumlich angeregter Zustand sein muss.

Im Detail, wenn sich das Molekül in seinem Grundzustand befindet, befinden sich die Spins in einem totalen Spin-Null-Zustand,

$$|s=0\rangle = \frac{|\uparrow\downarrow\rangle - |\downarrow\uparrow\rangle}{\sqrt{2}},$$ und die Antisymmetrie der Spins ermöglicht es, dass die räumlichen Wellenfunktionen symmetrisch sind und das gleiche niedrigste Energieniveau einnehmen. Wenn der Spin-Zustand einen totalen Spin hat $1$, einer von $$\begin{align} |s=1\rangle & = |\uparrow\uparrow\rangle, \\ & = |\downarrow\downarrow\rangle, \ \mathrm{or} \\ & = \frac{|\uparrow\downarrow\rangle + |\downarrow\uparrow\rangle}{\sqrt{2}}, \end{align}$$ dann muss die räumliche Wellenfunktion antisymmetrisch sein, wodurch die Energie des Zustands deutlich höher wird.