TL;DR

De meeste waterstofatomen bevatten geen neutronen. De zeldzame isotopen deuterium en tritium bevatten respectievelijk één en twee neutronen.

Achtergrond

Tijdens het begin van de 20e eeuw waren het proton en het elektron goed gekarakteriseerd, maar de atomaire massanummers overtroffen consequent de atoomnummers, wat impliceerde dat een ander deeltje met een vergelijkbare massa – het neutron – in de kern aanwezig was. In 1932 bevestigde natuurkundige James Chadwick het bestaan ervan.

Het atoomnummer geeft het aantal protonen aan. Stabiele, neutrale atomen hebben een gelijk aantal protonen en elektronen, waardoor ze een netto nullading hebben. Atoommassa-eenheden (amu) worden gedefinieerd als een twaalfde van de massa van een koolstof-12-atoom, dat zes protonen en zes neutronen bevat; dus een proton of neutron ≈1amu.

Waterstofisotopen

Waterstof, het lichtste element, bestaat in drie stabiele isotopen:

¹H – 0 neutrons (protium)
²H – 1 neutron (deuterium)
³H – 2 neutrons (tritium)

Alle isotopen dragen een enkel proton en een enkel elektron, waardoor de elektrische neutraliteit behouden blijft.

Toepassingen

Protium (¹H)

Protium is de meest voorkomende isotoop. Hoewel vrije waterstof zelden op aarde voorkomt, vormt het verbindingen zoals water (H₂O) en koolwaterstoffen. Bij de verbranding van waterstof komt alleen warmte en water vrij, waardoor het een schone energievector is.

Deuterium (²H)

Deuterium komt van nature voor in een verhouding van ~1 op 6.420 waterstofatomen. In combinatie met zuurstof vormt het zwaar water (D₂O), dat een hoger vriespunt (3,8°C) heeft dan gewoon water. Zwaar water fungeert als neutronenmoderator in kernreactoren en is waardevol in wetenschappelijk onderzoek, hoewel hoge concentraties (>25%) schadelijk kunnen zijn voor biologische weefsels.

Tritium (³H)

Tritium is radioactief en vervalt met een halfwaardetijd van 12,28 jaar. Het wordt geproduceerd in kernreactoren. Ondanks zijn radioactiviteit wordt tritium gebruikt in duurzame lichtreclames, bij opsporingsexperimenten en in bepaalde kernwapenontwerpen.