Med hjælp af den massespektrograf, som Francis William Aston havde opfundet, observerede han i 1927, at linjen for brint svarede til en atomvægt på den kemiske skala på 1,00756. Denne værdi afveg med mere end den sandsynlige eksperimentelle fejl fra den værdi, der var baseret på kombinationsvægtene af hydrogenforbindelser, 1,00777. Andre arbejdere viste, at denne uoverensstemmelse kunne fjernes ved at postulere eksistensen af en hydrogenisotop med masse 2 i forholdet 1 atom 2H (eller D) til 4.500 atomer 1H. Problemet interesserede den amerikanske kemiker Harold C. Urey, som ud fra teoretiske principper forudsagde en forskel i damptrykket for hydrogen (H2) og hydrogendeuterid (HD) og dermed muligheden for at adskille disse stoffer ved destillation af flydende hydrogen. I 1931 påviste Urey og to medarbejdere deuterium ved hjælp af dets atomare spektrum i restproduktet fra en destillation af flydende brint. Deuterium blev først fremstillet i ren form ved hjælp af den elektrolytiske koncentrationsmetode: Når en vandopløsning af en elektrolyt, f.eks. natriumhydroxid, elektrolyseres, indeholder den brint, der dannes ved katoden, en mindre del deuterium end vandet, og deuterium koncentreres således i restproduktet. Næsten ren deuteriumoxid (D2O, tungt vand) opnås, når opløsningen reduceres til 0,00001 af dens oprindelige volumen. Deuterium kan også opkoncentreres ved fraktioneret destillation af vand og ved forskellige kemiske udvekslingsreaktioner som f.eks. følgende (g og 1 angiver henholdsvis gasformig og flydende tilstand): H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).
Tritium (T) blev først fremstillet i 1935 ved at bombardere deuterium (i form af deuterophosphorsyre) med højenergi-deuteroner (deuteriumkerner):
Tritium findes i meget små koncentrationer i naturligt vand. Det dannes løbende i den øvre atmosfære ved kosmisk strålingsinducerede kernereaktioner. Kosmisk stråling, der hovedsageligt består af højenergiprotoner, reagerer med nitrogenatomer for at danne neutroner, som igen reagerer med flere nitrogenatomer for at danne tritium:
Dette naturligt dannede tritium ender i form af vand og når jordens overflade i form af regn. Tritium er radioaktivt; det har en halveringstid på 12,5 år og henfalder til en meget blød (lav energi) negativ beta-partikel (elektron; den positive beta-partikel kaldes en positron) og en helium-3-kerne. Når en vandprøve opbevares, mister den gradvist sit tritium på grund af det radioaktive henfald. Ved at analysere vand for dets tritiumindhold er det således muligt at belyse detaljerne i vandets cirkulation i havene, atmosfæren, floderne og søerne. Tritium fremstilles kunstigt i atomreaktorer ved reaktion af termiske neutroner med lithium:
Sammenfaldende forbindelser af brintisotoperne adskiller sig en smule i deres fysiske egenskaber. Denne forskel fremgår af vandets egenskaber, som er anført i tabellen, og af grundstoffernes egenskaber, som er anført i den følgende tabel. Det samme gælder for deres kemiske egenskaber, både termodynamiske og kinetiske. Både deuterium og tritium er nyttige som isotopiske sporstoffer til undersøgelse af kemiske strukturer og reaktionsmekanismer. Generelt skyldes værdien af en sporstof, at selv om dens masseforskel eller dens radioaktivitet gør det muligt at påvise den, er den i det væsentlige aktiv på samme måde som de almindelige atomer af grundstoffet. For de fleste grundstoffers vedkommende udgør en ændring på en eller få masseenheder en så lille procentdel af den samlede masse, at de kemiske forskelle mellem isotoper er ubetydelige. For brint foregår de kemiske reaktioner, der involverer de forskellige isotoper, imidlertid med målbart forskellige hastigheder. Disse kinetiske isotopvirkninger kan udnyttes i detaljerede undersøgelser af reaktionsmekanismer. Reaktionshastigheden for forbindelser, der indeholder deuterium eller tritium, er normalt lavere end for de tilsvarende forbindelser af almindelig brint.
| hydrogenoxid | deuteriumoxid | tritiumoxid | |
|---|---|---|---|
| Tæthed ved 25 grader Celsius i gram pr. milliliter | 0.99707 | 1.10451 | – |
| Smeltningspunkt, grader Celsius | 0 | 3.81 | 4.49 |
| kogningspunkt, grader Celsius | 100 | 101.41 | – |
| temperatur for maksimal massefylde, grader Celsius | 3,98 | 11,21 | 13.4 |
| maksimal massefylde i gram pr. milliliter | 1.00000 | 1.10589 | 1.21502 |
Udskiftning af hydrogen med deuterium i biologiske systemer kan ændre de fint afbalancerede processer markant. Det er blevet fastslået, at hverken planter eller dyr fortsætter med at leve og trives i vand, der indeholder deuteriumoxid i høje koncentrationer.
Deuterium og tritium er af interesse i forbindelse med termonukleare (fusions)reaktioner. Eksplosionen af en brintbombe indebærer sammenstød og fusion af lette kerner, herunder deuterium og tritium. Skulle man finde en metode til at kontrollere sådanne fusionsprocesser, som det blev gjort med fissionsprocessen i den tidligere atombombe, ville råmaterialet til en praktisk talt ubegrænset energiforsyning være tilgængeligt i vandets indhold af deuterium. Sådanne fusionsreaktioner er kilden til solenergi.
Deuteriumoxid er nyttigt i atomreaktorer som moderator for at bremse, men ikke for at fange neutroner i nævneværdig grad. Det har den fordel, at det er en væske, der kun absorberer neutroner i ringe grad.