До 1932 года никто и понятия не имел, что в природе может быть еще и тяжелая вода, в состав которой могут входить тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий пусть даже в мизерных количествах.
Именно это обстоятельство и послужило причиной того, что эти элементы «прятались» от ученых, маскируясь под ошибки опытов и недостаточную точность измерений.
Тяжелый водород — дейтерий был открыт американским физико-химиком Гарольдом Юри (1893-1981) в 1931 году. Одному из своих помощников Г.Юри поручил выпарить шесть литров жидкого водорода и в последней фракции объемом 3 см3 спектральным анализом впервые был обнаружен тяжелый изотоп водорода с атомной массой в два раза превышающий известный протий.
Это открытие произвело ошеломляющее впечатление прежде всего на ученых атомщиков всего мира, а немного позже и на ученых различных областей науки. Правда, еще раньше, в том же 1931 году, Берже и Мендель обнаружили, что атомный вес водорода, измеренный химическим методам, отличается от результатов, полученных с помощью масс-спектрометров. Хотя отличие это оказалось и небольшим, но оно повторялось от опыта к опыту.
Ученые пришли к выводу, что, по-видимому, существует тяжелый изотоп водорода с атомным весом 2.
В 1932 году Г.Юри и Э.Ф.Осборн впервые обнаружили в природной воде тяжелую воду.
Через два года Гарольд Юри был удостоен Нобелевской премии.
Открытие третьего сверхтяжелого изотопа водорода трития с атомным весом 3 первые годы держали в секрете по стратегическим соображениям. В 1951 году была получена и исследована тритиевая вода. Если дейтериевая вода сейчас уже хороша изучена практически во всех отраслях науки и техники, то «звездный» час тритиевой воды еще не настал.
А причина в том, что трития на Земле исчезающе малое количество (всего около 25-30 кг) и содержится он в основном в воде (всего около 20 кг).
В отличие от протия и дейтерия тритий радиоактивный элемент с периодом полураспада девять лет.
По своим свойствам сверхтяжелая тритиевая вода отличается от протиевой (легкой) воды больше, чем дейтериевая вода.
Тритий зарождается в сверхвысоких слоях атмосферы в основном при бомбардировке ядер азота нейтронами космического излучения.
В природной воде содержание трития ничтожно — всего 10-18 атомных процента. И тем не менее он есть и в питьевой воде.
По своим свойствам Т2О еще заметней отличается от Н2О, чем тяжелая вода: она кипит при 104 °С, имеет плотность 1,33, лед из нее плавится при 9 °С.
Тритиевая вода применяется при термоядерных реакциях, а кроме того, как и тяжелая, используется в химических и биологических исследованиях в качестве меченой. Как изотопный индикатор тритий более приемлем, чем дейтерий, из-за высокой чувствительности и простоты определения.
Кроме водорода, изотопы были обнаружены и у кислорода, причем целых шесть, помимо всем известного О16 (с молекулярным весом 16). Три из них оказались радиоактивными — О14, О15 и О19, а О16, О17 и O18 — стабильными. О16, О17 и О18 содержатся во всех природных водах, причем их соотношение (с колебаниями до 1%) таково: на 10000 частей О16 приходится 4 части О17 и 20 частей О18.
По физическим свойствам тяжелокислородная вода меньше отличается от обычной, чем тяжеловодородная. Получают ее в основном из природной воды фракционной перегонкой и используют как источник препаратов с меченным кислородом.
Таким образом, учитывая все разнообразие изотопного состава водорода и кислорода, можно говорить о 36 изотопных разновидностях воды (рис. 5). Девять из них включают только стабильные изотопы и составляют основное содержание природной воды. В ней преобладает обычная вода Н12О16 (99,73%), далее следует тяжелокислородные воды H12О17 (0,04%) и Н12О18 (0,2%), а также изотопная разновидность тяжелой воды H1D1O16 (0,03%). В дальнейшем, говоря о воде и называя ее общеизвестную формулу Н2О мы будем иметь в виду, что состав ее многообразен, но основной компонент Н12О16.
Рис. 5. Известные изотопы воды. В рамке 7 видов молекул воды со стабильными изотопами кислорода и водорода, содержащимися в природных водах.