Почему молекула H2H2{\rm H}_2 не имеет постоянного диполя, а нейтральная HIHI{\rm H}\,{\rm\small I} имеет его?

$H_2$содержит 2 электрона на одной орбитали в основном состоянии; по исключению Паули, один должен иметь вращение вверх, а другой - вращение вниз. Линия длиной 21 см образуется в обычном атоме водорода, когда спин электрона переворачивается с направления, ориентированного на протон, на направление, противоположное протону. В$H_2$, спин электрона не может перевернуться, потому что тогда он будет занимать то же состояние, что и другой электрон. Даже если бы это было возможно, другая форма орбитали произвела бы линию с длиной волны, значительно отличающейся от 21 см.

Два протона, поскольку они не находятся на одной и той же орбитали, могут демонстрировать такой же тип перехода, как и линия 21 см (т. е. спины протонов переворачиваются с выровненных на противоположные), но поскольку протоны сильно локализованы, массивны и далеки кроме того, любая спин-спиновая связь между ними незначительна. Действительно, при измерении этот переход имеет частоту всего 72 кГц, что соответствует длине волны более 4 км.

Нейтральный$\mathrm{H}$атом является постоянным магнитным диполем, потому что электрон и протон имеют разные g-факторы , поэтому они не могут полностью нейтрализоваться, даже если их магнитные диполи выровнены в противоположных направлениях.

в$\mathrm{H}_2$молекулы, с другой стороны, магнитные моменты могут полностью компенсироваться. Это не значит, что на практике это происходит — я не удивлюсь, если существует какой-то чрезвычайно длинноволновый переход, который соответствует переворачиванию$\mathrm{H}_2$ядерные спины выровнены против выровнены. Однако следует помнить, что чем меньше разница энергий, тем дольше время жизни возбужденного состояния. Распад, который производит$21\operatorname{cm}$линия, например, имеет период полураспада около$11$миллион лет . То, что мы его вообще видим, в первую очередь зависит от количества водорода во Вселенной. Я ожидаю, что переход с переворотом ядерного спина будет иметь еще более низкую энергию, по крайней мере, на порядок.

Все это говорит о том, что объяснение @probably_someone верно: электронное облако в$\mathrm{H}_2$имеет основное состояние с нулевым спином, а принцип исключения требует, чтобы любое не-спиновое нулевое состояние также было пространственно возбужденным состоянием.

Подробно, когда молекула находится в своем основном состоянии, спины находятся в состоянии полного нулевого спина,

$$|s=0\rangle = \frac{|\uparrow\downarrow\rangle - |\downarrow\uparrow\rangle}{\sqrt{2}},$$ а антисимметрия спинов позволяет пространственным волновым функциям быть симметричными, занимая один и тот же самый низкий энергетический уровень. Когда спиновое состояние имеет полный спин $1$, один из $$\begin{align} |s=1\rangle & = |\uparrow\uparrow\rangle, \\ & = |\downarrow\downarrow\rangle, \ \mathrm{or} \\ & = \frac{|\uparrow\downarrow\rangle + |\downarrow\uparrow\rangle}{\sqrt{2}}, \end{align}$$ тогда пространственная волновая функция должна быть антисимметричной, что делает энергию состояния значительно выше.