核スピン異性体
水素の原子核 (H) は1/2の核スピン角運動量を持つフェルミ粒子である。よって、水素分子 (H2) にはオルト水素 (I = 1) とパラ水素 (I = 0) の2つの核スピン異性体が存在する。
オルト水素の核スピン波動関数 (Ψns) は置換に対して「対称」である。水素原子核はフェルミ粒子であるために置換に対して分子全体の波動関数は「反対称」にならなければいけないから、オルト水素は置換に対して「反対称」である回転状態(回転量子数が奇数 J = 1, 3, 5,...)のみ存在する。
逆にパラ水素は核スピン波動関数は置換に対して「反対称」であるので、置換に対して「対称」である回転状態(回転量子数が偶数 J = 0, 2, 4,...)のみ存在する
常温(約250 K以上)では、回転状態の統計的多重度はほぼ等しいために、核スピン状態の多重度により、オルト水素とパラ水素の比は3:1となる。しかし、極低温においては、回転状態の分布が基底状態にである J = 0 に偏るために、温度平衡状態としてはパラ水素が多くなる。水素分子を極低温において強磁性の不均一系触媒と接触させることにより、高濃度のパラ水素を得ることができる。