Den orthohydrogen er dihydrogen forbindelse med molekyler , hvor de to protoner (en i hver atom af molekylet) har spinder parallelt og i samme retning.
Den parahydrogen er dihydrogenphosphat sammensatte molekyler, i hvilke de to protoner (en i hvert atom i molekylet) har antiparallelle spins.
Disse to former for brint kaldes spin (nukleare) isomerer .
Dihydrogenmolekyler består af to hydrogenatomer bundet af en kovalent binding . Hvis vi forsømmer de spor af deuterium eller tritium, der måtte være til stede, består hvert hydrogenatom kun af en proton og en elektron . Protonen har et tilhørende magnetisk øjeblik kaldet spin , som kan betragtes som genereret af protonens rotation på sig selv (selvom denne repræsentation er helt forkert i kvantefysikens forstand ). Molekylet kan derfor indeholde to protoner, der er justeret enten i samme retning (det er orthohydrogen ) eller i modsatte retninger (det er parahydrogen ). På den anden side, i et stabilt molekyle af H 2 , elektronerne nødvendigvis på linie i modsatte retninger for at gøre en kemisk binding.
Det samlede nukleare spin for de to kerner af orthohydrogen er I = 1, så det er en triplettilstand med tre mulige værdier for spin-komponenten på en defineret akse, nemlig M I = 1, 0 eller -1. De tilsvarende nukleare spinbølgefunktioner er α 1 α 2 , (α 1 β 2 + β 1 α 2 ) / (2 1/2 ) og β 1 β 2 (hvor α og β er tilstandene for en enkelt protons spin af M i = +1/2 og -1/2 henholdsvis). Parahydrogen er på den anden side en singletilstand med nukleart spin-kvantetal I = 0 og M I = 0 og bølgefunktion (α 1 β 2 - β 1 α 2 ) / (2 1/2 ). Ved stuetemperatur er orthohydrogen tre gange mere rigelig som en konsekvens af dets nukleare spin-degeneration.
Protonen er en fermion ; den totale bølgefunktion af molekylet skal derfor være antisymmetrisk med hensyn til permutationen af de to protoner. Denne betingelse indebærer en begrænsning af de mulige rotations niveauer af hver form af H 2 . Parahydrogen har en antisymmetrisk nuklear spinbølgefunktion og skal derfor have en symmetrisk rotationsbølgefunktion. Det er derefter begrænset til lige rotationsniveauer (rotationskvantetal J = 0, 2, 4, 6, ...). Orthohydrogen har derimod en symmetrisk nuklear spinfunktion og derefter en antisymmetrisk rotationsfunktion, som begrænser den til ulige rotationsniveauer (J = 1, 3, 5, 7, ...). Ved lav temperatur er næsten alt orthovævet på J = 1 niveauet.
Orthohydrogen på niveau J = 1 er ustabil ved lav temperatur og omdannes spontant til parahydrogen på niveau J = 0 over tid og frigiver uønsket varme . Ved stuetemperatur omfatter brint 75% orthohydrogen, en andel, som fortætningsprocessen bevarer. Enten skal der bruges en katalysator til at fremskynde omdannelsen af brint til parahydrogen, eller der skal tilvejebringes yderligere nedkøling for at absorbere den varme, der frigøres fra det flydende brint, når det spontant omdannes.