質 子 與 電 子 皆 具 有 自 旋 ， 有 點 像 正 在 旋 轉 的 蛇 螺 (見 上 圖 ， 但 請 小 心 ！ 這 種 圖 像 並 不 很 正 確)。 兩 者 自 旋 同 向 時 的 能 量 ， 略 高 於 兩 者 反 向 時 。 而 由 較 高 能 態 ， 換 成 較 低 能 態 的 同 時 ， 氫 原 子 以 電 磁 波 的 形 式 ， 放 出 兩 能 態 之 間 相 差 的 能 量 ， 而 這 種 電 磁 波 的 波 長 約 為 21 公 分 ， 屬 於 無 線 電 波 段 。

氫 原 子 由 上 圖 的 高 能 態 跳 到 低 能 態 ， 平 均 一 千 一 百 萬 年 才 發 生 一 次 (故 有 時 又 叫 禁 止 線)。 星 際 物 質 的 溫 度 很 低 ， 氫 原 子 的 碰 撞 非 常 少 發 生 ， 約 一 百 萬 年 才 有 一 次 碰 撞 ， 所 以 氫 原 子 仍 有 機 會 放 出 波 長 為 21 公 分 的 譜 線 。

但 在 冷 星 雲 裡 ， 氫 主 要 以 分 子 形 式 存 在 ， 氫 分 子 能 階 與 原 子 大 不 同 ， 並 無 21 公 分 線 。 一 般 而 言 ， 氫 21 公 分 線 的 強 度 很 弱 ， 偵 測 因 難 。