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수소원자는 양전하를 띠는 입자인 양성자와 음전하를 띠는 입자인 전자로 구성되어 있다. 이들 입자는 자기 자신의 회전축을 중심으로 회전하는 것으로 생각할 수 있다.

두 입자의 스핀이 반대방향일 때 원자는 가장 낮은 에너지 상태에 있게 되며 스핀이 서로 평행이면 원자는 미세한 양의 잉여 에너지를 갖게 된다. 매우 저온의 성간 공간에서는 성간 수소원자가 가장 낮은 에너지 상태에 있게 된다. 하지만 입자 상호간의 충돌에 의해서 때때로 일부의 입자가 들뜬 상태가 되어(입자의 스핀이 같은 방향을 갖게 됨) 미세한 에너지를 갖게 된다.

양자역학의 법칙에 의하면 이와 같은 원자는 획득된 에너지를 21㎝의 파장 즉, 1,420㎒의 주파수에 해당하는 저에너지 광자의 형태로 방출하게 된다. 이와 같은 라디오파의 방출은 네덜란드의 천문학자 H. C. 반 데 휠스트에 의해서 제2차 세계대전이 끝난 직후에 이론적으로 예언이 되었으며 1951년 하버드대학교의 해럴드 유인에 의해 실험적으로 관측되었다(→ 휠스트).

이때 이후로 21㎝ 복사는 은하수, 즉 우리은하를 연구하는 데 중요한 역할을 했는데 이는 이 전파가 은하 중심의 깊은 곳을 광학적으로 관측할 때 방해되는 성간 먼지를 쉽게 투과하기 때문이다.