Francis William Aston havaitsi vuonna 1927 keksimänsä massaspektrografin avulla, että vedyn viiva vastasi kemiallisella asteikolla atomipainoa 1,00756. Tämä arvo poikkesi yli todennäköisen kokeellisen virheen verran vety-yhdisteiden yhdistelmäpainoihin perustuvasta arvosta 1,00777. Muut tutkijat osoittivat, että ristiriita voitaisiin poistaa olettamalla, että on olemassa vedyn isotooppi, jonka massa on 2 ja jonka massa on yksi 2H-atomi (tai D) suhteessa 4500 1H-atomiin. Ongelma kiinnosti yhdysvaltalaista kemistiä Harold C. Ureyta, joka teoreettisista lähtökohdista ennusti vedyn (H2) ja vetydeuteridin (HD) höyrynpaineiden eron ja siten mahdollisuuden erottaa nämä aineet toisistaan nestemäistä vetyä tislaamalla. Vuonna 1931 Urey ja kaksi työtoveriaan havaitsivat deuteriumin atomispektrin perusteella nestemäisen vedyn tislauksen jäännöksestä. Deuteriumia valmistettiin ensin puhtaassa muodossa elektrolyyttisellä konsentrointimenetelmällä: kun elektrolyytin, kuten natriumhydroksidin, vesiliuosta elektrolyysoidaan, katodilla muodostuva vety sisältää pienemmän osuuden deuteriumia kuin vesi, ja siten deuterium konsentroituu jäämään. Lähes puhdasta deuteriumoksidia (D2O, raskas vesi) saadaan, kun liuos pienennetään 0,00001:een sen alkuperäisestä tilavuudesta. Deuteriumia voidaan konsentroida myös veden fraktioidulla tislauksella ja erilaisilla kemiallisilla vaihtoreaktioilla, kuten seuraavilla (g ja 1 merkitsevät kaasumaista ja nestemäistä tilaa): H2O(g) + HD(g) ⇌ HDO(g) + H2(g); HDO(g) + H2S(g) ⇌ HDS(g) + H2O(g); NH3(l) + HD(g) ⇌ NH2D(l) + H2(g).
Tritiumia (T) valmistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1935 pommittamalla deuteriumia (deuterofosforihappona) suurienergisillä deuteroneilla (deuterium-ytimillä):
Tritiumia esiintyy pieninä pitoisuuksina luonnollisessa vedessä. Sitä muodostuu jatkuvasti yläilmakehässä kosmisen säteilyn aiheuttamissa ydinreaktioissa. Kosmiset säteet, jotka koostuvat pääasiassa suurienergisistä protoneista, reagoivat typpiatomien kanssa muodostaen neutroneja, jotka puolestaan reagoivat useampien typpiatomien kanssa muodostaen tritiumia:
Tämä luonnossa muodostunut tritium päätyy veteen ja pääsee sateena Maan pinnalle. Tritium on radioaktiivista; sen puoliintumisaika on 12,5 vuotta, ja se hajoaa hyvin pehmeäksi (matalaenergiseksi) negatiiviseksi beetahiukkaseksi (elektroniksi; positiivista beetahiukkasta kutsutaan positroniksi) ja helium-3-ytimeksi. Kun vesinäyte varastoidaan, se menettää vähitellen tritiumia radioaktiivisen hajoamisen vuoksi. Näin ollen analysoimalla veden tritiumpitoisuutta voidaan selvittää yksityiskohtia veden kiertokulusta valtamerten, ilmakehän, jokien ja järvien välillä. Tritiumia valmistetaan keinotekoisesti ydinreaktoreissa termisten neutronien reagoidessa litiumin kanssa:
Vetyisotooppien vastaavat yhdisteet eroavat hieman toisistaan fysikaalisilta ominaisuuksiltaan. Tämä ero näkyy taulukossa lueteltujen vesien ja seuraavassa taulukossa lueteltujen alkuaineiden ominaisuuksista. Sama pätee niiden kemiallisiin ominaisuuksiin, sekä termodynaamisiin että kineettisiin. Sekä deuterium että tritium ovat hyödyllisiä isotooppimerkkiaineita kemiallisten rakenteiden ja reaktiomekanismien tutkimisessa. Merkkiaineen arvo perustuu yleensä siihen, että vaikka sen massaero tai radioaktiivisuus mahdollistaa sen havaitsemisen, se on pohjimmiltaan aktiivinen samalla tavalla kuin alkuaineen tavalliset atomit. Useimmilla alkuaineilla yhden tai muutaman massayksikön muutos on niin pieni prosenttiosuus kokonaismassasta, että isotooppien väliset kemialliset erot ovat merkityksettömiä. Vedyn osalta eri isotooppien kemialliset reaktiot etenevät kuitenkin mitattavissa olevilla nopeuksilla. Näitä kineettisiä isotooppivaikutuksia voidaan hyödyntää reaktiomekanismien yksityiskohtaisissa tutkimuksissa. Deuteriumia tai tritiumia sisältävien yhdisteiden reaktionopeudet ovat yleensä pienempiä kuin vastaavien tavallisen vedyn yhdisteiden reaktionopeudet.
| vesioksidi | deuteriumoksidi | tritiumoksidi | |
|---|---|---|---|
| tiheys 25 celsiusasteen lämpötilassa grammoina millilitrassa | 0.99707 | 1.10451 | – |
| sulamispiste, celsiusastetta | 0 | 3.81 | 4.49 |
| kiehumispiste, celsiusastetta | 100 | 101.41 | – |
| tiheyden maksimilämpötila, celsiusastetta | 3.98 | 11.21 | 13.4 |
| maksimitiheys grammoina millilitrassa | 1.00000 | 1.10589 | 1.21502 |
Vedyn korvautuminen deuteriumilla biologisissa systeemeissä voi muuttaa herkästi tasapainossa olevia prosesseja. On todettu, etteivät kasvit eivätkä eläimet jatka elämäänsä ja kukoistamaan vedessä, joka sisältää deuteriumoksidia suurina pitoisuuksina.
Deuterium ja tritium ovat kiinnostavia lämpöydinreaktioiden (fuusio) yhteydessä. Vetypommin räjähdykseen liittyy kevyiden ytimien, kuten deuteriumin ja tritiumin, törmäys ja fuusio. Jos löydettäisiin menetelmä tällaisten fuusioprosessien hallitsemiseksi, kuten tehtiin aikaisemman atomipommin fissioprosessin yhteydessä, veden deuteriumpitoisuudessa olisi raaka-ainetta käytännössä rajattomaan energiantuotantoon. Tällaiset fuusioreaktiot ovat aurinkoenergian lähde.
Deuteriumoksidi on hyödyllinen ydinreaktoreissa moderaattorina, joka hidastaa neutronien kulkua, mutta ei sieppaa niitä tuntuvasti. Sen etuna on, että se on neste, joka absorboi neutroneita vain vähän.