waterstofatomen

Waterstofatomen vormen het eenvoudigste type atomen: een positieve kern die uit één proton bestaat en één elektron dat eromheen draait, gebonden door de elektromagnetische aantrekkingskracht. In neutraal waterstof is de kern uitsluitend bestaan uit een proton. Er bestaan isotopen, zoals deuterium (één neutron) en tritium (twee neutronen).

Qua structuur wordt het atomair elektronisch gedrag beschreven door de quantummechanische golffuncties. De grondtoestand bevindt zich in het 1s-orbitaal. De energie van de grondtoestand bedraagt −13,6 eV en energieniveaus volgen E_n = −13,6 eV / n^2. Het elektron heeft intrinsieke spin 1/2, wat invloed heeft op hyperfine- en fine-structurele verschijnselen.

Spectroscopie van waterstof levert belangrijke aanwijzingen over energiestructuur en bewegingen van elektronen. Overgangen tussen niveaus leveren fotonen op met karakteristieke golflengten. Belangrijke series zijn de Lyman-reeks (overgangen naar 1s, UV), de Balmer-reeks (overgangen naar 2s/2p, zichtbaar), en de Paschen-reeks (naar 3s, IR). Een bekende radiogolflijn is de 21 cm-lijn, afkomstig van een spinflip tussen elektron en kern en van groot belang in de astronomie voor de kaart van waterstofgas in het heelal.

Waterstof speelt een centrale rol in de chemie en astrofysica: twee waterstofatomen kunnen zich verenigen tot de H2-molecule, die de belangrijkste diatomische verbinding in de ruimte vormt. Het element is het meest voorkomende in het universum en vormt de bouwsteen voor sterren, planetaire nevels en veel chemische processen in interstellaire media. In omgevingen met veel straling kan waterstof neutraal (HI) voorkomen of ionisch (HII) zijn.