水素分子には、2つの原子核（陽子）の核スピンの向きが揃っている場合と反平行の場合の2種類の状態が存在する。 揃っているものをオルソ水素（オルト水素ということもある）、反平行の場合をパラ水素と呼ぶ。 2つの状態間の変換は核スピンを変換しなければならないため気相ではほとんど起こらず、お互い別々の分子であるかのように振る舞う。 この2つの状態は、化学的性質に違いはないが、物理的性質（比熱や熱伝導率など）がかなり異なり、核スピン異性体と呼ばれる。 フェルミ粒子である水素原子核（陽子）の置換に対する分子全体の波動関数の対称性の性質により、オルソ水素は回転量子数が奇数（J = 1, 3, 5, …）のみの回転状態が存在し、逆にパラ水素は回転量子数が偶数（J = 0, 2, 4, …）のみの回転状態が存在する。星間分子、回転遷移も参照。