La maggior parte degli atomi di idrogeno non contiene neutroni. I rari isotopi deuterio e trizio contengono rispettivamente uno e due neutroni.
All’inizio del XX secolo, il protone e l’elettrone erano ben caratterizzati, ma i numeri di massa atomica superavano costantemente i numeri atomici, il che implicava che nel nucleo fosse presente un’altra particella di massa simile, il neutrone. Nel 1932, il fisico James Chadwick ne confermò l'esistenza.
Il numero atomico indica il numero di protoni. Gli atomi stabili e neutri hanno un numero uguale di protoni ed elettroni, conferendo loro una carica netta pari a zero. Le unità di massa atomica (amu) sono definite come un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio-12, che contiene 6 protoni e 6 neutroni; quindi un protone o neutrone ≈1amu.
L'idrogeno, l'elemento più leggero, esiste in tre isotopi stabili:
¹H – 0 neutrons (protium) ²H – 1 neutron (deuterium) ³H – 2 neutrons (tritium)
Tutti gli isotopi trasportano un singolo protone e un singolo elettrone, mantenendo la neutralità elettrica.
Il protio è l'isotopo più abbondante. Sebbene l’idrogeno libero esista raramente sulla Terra, forma composti come acqua (H₂O) e idrocarburi. La combustione dell'idrogeno emette solo calore e acqua, rendendolo un vettore di energia pulita.
Il deuterio si trova naturalmente in un rapporto di ~ 1 su 6.420 atomi di idrogeno. Se accoppiato con l'ossigeno, forma acqua pesante (D₂O), che ha un punto di congelamento più alto (3,8°C) rispetto all'acqua normale. L'acqua pesante funge da moderatore di neutroni nei reattori nucleari ed è preziosa nella ricerca scientifica, sebbene alte concentrazioni (>25%) possano essere dannose per i tessuti biologici.
Il trizio è radioattivo e decade con un tempo di dimezzamento di 12,28 anni. Viene prodotto nei reattori nucleari. Nonostante la sua radioattività, il trizio viene utilizzato in insegne luminose di lunga durata, in esperimenti di tracciamento e in alcuni progetti di armi nucleari.
