氢， 原子序数1， 宇宙中最丰富的元素 。 氢有7种同位素， 最常见的同位素不携带中子， 只有一个质子 。 氢是结构上最简单的原子， 大部分量子力学的教科书中都有关于氢原子的介绍， 因为它的薛定谔方程可以严格求解 。
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【氢元素：新能源技术革命的希望？】碳水化合物含有氢， 所以氢在我们的日常生活中无处不在 。 氢与氧、氮等元素可以形成氢键， 它与离子性结合和共价键不同 。 离子性结合形成的离子晶体中， 结合的单位为失去电子或者获得电子的原子（正、负离子）而不是原子本身；正负离子相间排列， 靠库伦作用构成固体 。 共价键中， 两个原子共享一个电子， 这两个电子的波函数交叠 。 而氢键中， 既有库伦作用力， 又有部分共价键的作用 。 氢键不仅能在分子内形成， 还能在分子间形成 。 例如， 水分子间的主要结合力就是氢键 。 氢键的结构灵活， 键长键角都是可以变化的， 如果具备氢键形成的条件， 固液气中都会尽可能多地形成氢键 。 尽管氢原子本身量子力学可解、氢键的概念已被提出了超过100年， 如今关于理解氢键的科研工作还在继续 。
两个氢可以组成双原子分子H2， 它室温下以气态形式存在， 因此称为氢气 。 氢分子由共价键组成， 共价键的现代理论开始于对氢分子的量子力学研究 。 氢气是一种清洁能源， 它与氧气结合可以放出大量热量 。 同等质量下， 氢气燃烧放出的热量是煤炭的四倍以上， 并且它的反应产物是水， 对环境无害 。 氢气可以来自天然气的裂解或者直接由水的电解产生 。 如何高效利用太阳能和催化剂将水分解为氢气和氧气是一个重要的前沿研究课题 。 同等质量的氢比煤炭燃烧时放出的能量多， 可是常温时氢是气体， 同等体积下的氢气存储能量的能力远低于碳， 另外， 氢气在空气中可能爆炸， 所以如何安全高效地存储氢气也是一个重要的问题 。 高效存储的方法之一是利用能吸附氢气的材料， 称为储氢材料 。 早期的储氢材料能存氢到大气中氢气密度的千倍， 现在储氢材料的种类越来越多， 实用存储效率也越来越高 。 美国能源部关于储氢电池的一个目标是， 在空间、价格、安全等方面能与现有市场竞争的情况下， 单次存储能量满足500公里以上的汽车行驶需要 。
存储氢气的另一个有效方法是低温环境 。 液体H2称为液氢， 它的沸点离绝对零度只有20开尔文；H2固体的熔点离绝对零度只有14开尔文， 是常压条件下熔点最低的固体 。 比氢气还难固化的物质是氦， 它只有在远高于大气压和更低的温度下才能成为固体 。 考虑到液体和气体之间的密度差别， 单位体积的液氢储能能力远高于单位体积的氢气储能能力 。 对液体加压可以进一步增加密度， 以增加储能能力 。 液氢加上液氧可以作为火箭的燃料 。 当作为火箭燃料时， 除了考虑单位体积下的储能能力之外， 更重要的是单位质量下的储能能力 。 储氢材料中一定存在非氢元素， 它们无法转换为能量， 因此， 液氢比储氢材料更适合火箭 。 因为液氢温度下只有氦气能维持气态， 高压氦气是一个合适的压力源以挤压液氢到需要的位置 。 液氢的存储比常规液体复杂得多 。 当两个氢原子结合成氢分子时， 如果考虑上自旋， 有两种可能的量子态， 称为正氢和仲氢 。 常温下， 这两种量子态都是允许的， 而极低温时， 液氢会尽量转化为能量较低的一种量子态 。 量子态间转化会发出热量， 因此液氢会吸收热量而气化 。 如果未让氢分子充分转化为低能量子态便直接降温到液氢温度， 常压条件下将液氢搁置一段时间后， 这个转化产生的热量足以让一半的液氢又重新变为氢气 。
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