Όλα τα άτομα ενός στοιχείου έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό, δηλαδή τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και προφανώς και ηλεκτρονίων. Από το 1912 είναι γνωστό όμως ότι μπορούν να υπάρχουν άτομα ενός στοιχείου με διαφορετικό μαζικό αριθμό, δηλαδή άτομα που στον πυρήνα τους έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Τα άτομα αυτά ονομάζονται ισότοπα.
Ένα από τα ισότοπα του υδρογόνου (Α = 1, Ζ= 1), το δευτέριο, D ή ²Η,
(Α = 1, Ζ = 2), απαντάται στη φύση σε ποσοστό 0.015% του συνόλου του υδρογόνου. Το δευτέριο είναι χημικά ίδιο με το υδρογόνο, αλλά είναι βαρύτερο επειδή περιέχει ένα πρόσθετο νετρόνιο και σχηματίζει και αυτό χημική ένωση με το οξυγόνο, το βαρύ νερο, με μοριακό τύπο D₂O.Το βαρύ νερό σχηματίζεται όταν αντικαθίστανται δύο άτομα υδρογόνου σε ένα μόριο του νερού, Η₂O, από δύο άτομα δευτερίου.
Το βαρύ νερό έχει πολλές εφαρμογές και απομονώνεται σε μεγάλες εγκαταστάσεις από το νερό της θάλλασσας. Οι επιστήμονες που ασχολούνται με την ιατρική φυσική έχουν επινοήσει μια νέα τεχνική που υπόσχεται να μετρήσει την περιεκτικότητα σε νερό του ανθρώπινου σώματος γρήγορα και ανώδυνα. Μέσα σε δύο ώρες από την κατανάλωση ενός διαλύματος βαρέως ύδατος, η περιεκτικότητα σε νερό του ασθενούς, μπορεί να καθοριστεί από το ποσό του βαρέως ύδατος στην αναπνοή του.