La plupart des atomes d'hydrogène ne contiennent pas de neutrons. Les isotopes rares deutérium et tritium contiennent respectivement un et deux neutrons.
Au début du XXe siècle, le proton et l'électron étaient bien caractérisés, mais les nombres de masses atomiques dépassaient systématiquement les nombres atomiques, ce qui impliquait qu'une autre particule de masse similaire, le neutron, était présente dans le noyau. En 1932, le physicien James Chadwick confirma son existence.
Le numéro atomique indique le nombre de protons. Les atomes stables et neutres ont un nombre égal de protons et d’électrons, ce qui leur confère une charge nette nulle. Les unités de masse atomique (amu) sont définies comme étant le douzième de la masse d'un atome de carbone 12, qui contient 6 protons et 6 neutrons; donc un proton ou un neutron ≈1amu.
L'hydrogène, l'élément le plus léger, existe sous forme de trois isotopes stables :
¹H – 0 neutrons (protium) ²H – 1 neutron (deuterium) ³H – 2 neutrons (tritium)
Tous les isotopes transportent un seul proton et un seul électron, maintenant la neutralité électrique.
Le protium est l'isotope le plus abondant. Bien que l’hydrogène libre existe rarement sur Terre, il forme des composés tels que l’eau (H₂O) et des hydrocarbures. La combustion de l'hydrogène n'émet que de la chaleur et de l'eau, ce qui en fait un vecteur d'énergie propre.
Le deutérium est présent naturellement dans un rapport d’environ 1 sur 6 420 atomes d’hydrogène. Lorsqu'elle est associée à l'oxygène, elle forme de l'eau lourde (D₂O), qui a un point de congélation plus élevé (3,8°C) que l'eau ordinaire. L'eau lourde sert de modérateur de neutrons dans les réacteurs nucléaires et est précieuse dans la recherche scientifique, bien que des concentrations élevées (>25 %) puissent être nocives pour les tissus biologiques.
Le tritium est radioactif et se désintègre avec une demi-vie de 12,28 ans. Il est produit dans des réacteurs nucléaires. Malgré sa radioactivité, le tritium est utilisé dans les panneaux lumineux de longue durée, dans les expériences de traçage et dans certaines conceptions d'armes nucléaires.