waterstofatoom

Een waterstofatoom is het lichtste en eenvoudigste atoom in het universum. Het bestaat uit een kern en één elektron dat eromheen draait onder invloed van de elektromagnetische Coulombkracht. De kern bij protium bevat één proton en geen neutronen; de isotopen deuterium en tritium bevatten respectievelijk één en twee neutronen. Het elektron heeft een negatieve lading en het geheel is elektrisch neutraal. De massa van het atoom wordt grotendeels bepaald door de kern.

In de moderne beschrijving wordt het elektron niet als een vaste baan gezien, maar als een golfvenster met een waarschijnlijkheidsverdeling. De toestand van het elektron in waterstof wordt beschreven door een golffunctie, met de 1s-orbital als de grondtoestand. De energie van deze toestand bedraagt −13,6 eV; de ionisatie-energie is eveneens 13,6 eV. Het Bohr-model biedt historisch een intuïtieve kijk op de energieniveaus, maar de echte beschrijving vereist quantummechanica en probabilistische kansen.

Waterstof vertoont duidelijke spectrale lijnen door elektronovergangen tussen energieniveaus. De Lyman-reeks valt in ultraviolet, de Balmer-reeks in het zichtbare spectrum en er bestaan ook andere reeksen zoals de Paschen. Een bekende hyperfijne overgang leidt tot een radiogolf rond 21 centimeter, wat belangrijk is in de astronomie. Deze spectra dienen als referentie in chemische analyse en kosmologische waarnemingen.

Chemisch kan waterstof als neutraal atoom covalente bindingen vormen, bijvoorbeeld in de H2-molecule. Het is een veelvoorkomend element en dient als bouwsteen voor veel moleculen. Isotopen zoals deuterium en tritium hebben uiteenlopende toepassingen in onderzoek en nucleaire technologie.