什麼是氫的同位素呢？我們不妨先來看一下同位素的定義。那些質子數相同而中子數不同的原子核所構成的不同原子總稱即為同位素。自然界中許多元素都有同位素。同位素有的是天然存在的，有的是人工製造的，有的有放射性，有的沒有放射性。同一元素的同位素雖然質量數不同，但它們的化學性質基本相同，物理性質有差異，主要表現在質量上。氫在自然界中的同位素有氕、氘和氚3種。其中氕相對丰度（指某一同位素在其所屬的天然元素中佔的原子數百分比）為99.985％；氘(重氫)相對丰度為0.016％，這兩種氫是自然界中非常穩定的同位素。從核反應中還找到質量數為3的同位素氚(超重氫)，它在自然界中含量極少。英國物理學家索第(F.Soddy，1877—1956年)與盧瑟福(E.Rutherford，1871—1937年)於1913年首先提出同位素問題。索第認為，同位素的原子量和放射性是不同的，但其他的物理和化學性質相同。此後的幾年內，人們雖然相繼發現了200多種同位素，但是氫的同位素卻一直沒有被發現。1919年，德國物理學家斯特恩(O.Stern，1888—1956年)認為，氫的原子量為1.0079，估計它應具有一種同位素。即一種是原子量為1的氫，即1H，一種是原子量為2的氫同位素。根據1與1.0079之間的差值來估計它們的相對丰度值，氫的同位素應占1％左右。但他和同事試圖從實驗上加以證實卻未獲成功。1927年，阿斯頓以氧的原子量等於16.0000為標準(就像過去以水的密度為標準一樣)，用質譜儀對氫元素進行了質譜分析，測得的氫與氧的比值是1.0077：16.0000，這個比值與化學方法測得的比值非常一致，以至於阿期頓認為，氫元素是沒有同位素的，它是一個“純粹的”元素。氫的同位素氘(D)被哈羅德·尤里發現。1931年年底，美國哥倫比亞大學的尤里教授和他的助手們，把5～6升液態氫在53約定毫米汞柱(7千帕)、14K(三相點)下緩慢蒸發，最後只剩下2毫升液氫，然後作光譜分析。結果在氫原子光譜的譜線中，得到一些新譜線，它們的位置正好與預期的質量為2的氫譜線一致，從而發現了重氫。尤里將這個新發現的同位素命名為Deuterium，簡寫為D，它在希臘文中的意思是“第二”，中文譯作“氘”。但是，尤里等人未發現他們曾預言的原子量為3的氫的同位素。尤里因發現氘在1934年榮獲了諾貝爾化學獎。1934年，澳洲物理學家奧利芬特(Oliphant，MarcusLaurenceEl?win1901.10.8—2000.7.14)用氘轟擊氘，生成一種具有放射性的新同位素氚，質量為3，命名為tritium，中文譯為氚，符號T，是具有放射性的另一重要的氫同位素。T(3H)顯示弱輻射性，其半衰期為12.26年。科學家發現的4H的半衰期只有4×1011秒。日本理化研究所2001年宣佈說，該所科學家谷煙勇夫和俄羅斯科學家在設立於莫斯科郊外的原子核研究機構，使用大型加速器，以碳原子為目標進行轟擊，製造出了由2個質子和4箇中子構成的氦6，然後使用液態氫與之撞擊，去掉氦6原子核中的1個質子，結果獲得了由1個質子和4箇中子構成的5H。不過，5H極其不穩定，在極短時間就衰變為氚和2箇中子。因此，4H和5H並沒有被公認，人們通常還是認為氫只有3個同位素。由於氫幾乎全部是由1H組成的，所以，氫的最輕的同位素1H的性質就決定了氫的性質。1H和D的分離可用電解法，電解水時，1H的遷移速度比D的遷移速度快6倍，這樣，在剩餘物中的D的濃度提高。重複電解，則得到D2O，即重水。重水和普通水有很大的不同。氫同位素主要有以下3種用途：①作為熱核反應的原料。這是氫同位素最重要的用途。氫的同位素氘和氚是輕熱核聚變的材料，在一定的條件下，氘和氚發生核聚合反應即核聚變，生成氦和中子，併發出大量的熱。②利用氫同位素測定地質的歷史。隨著穩定同位素研究的進展，利用氧、氫同位素測定古溫度已成為沉積環境地球化學研究的前沿課題。從20世紀60年代開始，美國及西歐國家的冰川學家就在南極大陸和格陵蘭島的內陸冰蓋上鑽取冰芯，透過分析不同年齡冰芯裡的氫同位素、氧同位素、痕量氣體、二氧化碳、大氣塵以及宇宙塵等，來確定當時(百年尺度)全球平均氣溫、大氣成分、大氣同位素組成、降水量等諸項氣候環境要素。③用同位素作為示蹤劑。氘和氚可以作為“示蹤劑”研究化學過程和生物化學過程的微觀機理。因為氘原子和氚原子都保留普通氫的全部化學性質，而氘、氚與氫的質量不同；氚與氫的放射性不同。這樣就可以深入研究示蹤的分子的來龍去脈。例如利用氫同位素記錄汙水的歷史，可以控制汙水排放。利用最新的“氫穩定同位素質譜技術”，開發出對環境中有機汙染物的“分子水平氫穩定同位素指紋分析法”，可以追蹤汙染源。