按量子力学原理，费米子体系的波函数在交换粒子时一定是反对称的，所以它的自旋部分平行，则空间部分波函数为反对称，反之亦然。对正氢两质子自旋平行，空间波函数是反对称，所以轨道量子数l只能是奇数，则基态l=1。对仲氢两质子自旋反平行，则空间波函数对称，其轨道量子数l是偶数，则基态l=0。所以仲氢基态能量比正氢低，在温度较高时，正氢三重态与仲氢单态的出现为随机的概率，它的正仲比为3:1，这种氢称为正常氢。当温度降低时，具有高能量基态的正氢自发地向低能态的仲氢转化，直到在这温度下不再转化时，就称为在这温度下的平衡氢。在一般情况下正仲氢的转换是很缓慢的，约几天时间才能使原子核自旋重新排列同时放出转化热，这转化热大于液氢的汽化潜能，使得液氢难以贮存，所以必须在液化的同时加催化剂Fe(OH)3促使它转化，使转化热被液化器所带走。在液氮温度下平衡氢的正、仲比约为1:1，在液氢温度下约为0.21:99.79。