科学家在研究物质结构时发现虽然已发现的元素有118种，但原子的种类远比118种更多。同一种元素可以有多种原子，例如氧元素有3种原子，氢元素也有3种原子。同一种元素为什么会有几种不同的原子呢？

我们已经知道，元素原子的核心部分是原子核。原子核由质子和中子两种微粒构成，质子、中子又由称为上夸克和下夸克的基本粒子组成。每个原子的原子核的质子数与中子数的质量之和，决定了原子质量的大小，人们把原子核中质子和中子质量之和的整数值称为原子的质量数，由于质子和中子的相对质量都等于1，原子的质量数就等于质子数和中子数之和。科学家发现，同一种元素原子的原子核中含有相同数目的质子，但含有的中子数目可以不同，原子的相对质量也不同。例如，氢元素的所有原子，原子核内都只有1个质子，但含有的中子数有0、1、2三种，质子数和中子数的总和分别是1、2、3。因此，氢元素有三种不同的原子：H、H、H（元素符号左上角的角标表示原子的质量数），分别称为氢、重氢和超重氢（或分别称为氕、氘、氚，分别用符号H、D、T表示）。氧元素所有的原子，原子核内都有8个质子，但含有的中子数目可以是8、9、10。因此，氧元素的原子也有三种：O、O、O。科学家把含有相同质子数目的原子（不论原子核中有多少个中子）总称为元素，把含有相同质子数、中子数的原子总称为核素。因此，同一种元素可以有几种核素。但是同一种元素在元素周期表中只占有一个位置，所以把同一种元素的不同核素称该元素的同位素。

一种元素可以有几种核素。那么当元素的原子结合成分子时，可能由不同的核素的原子结合成。那么不是会形成不同的分子吗？例如，水由氢元素和氧元素形成，氢元素有三种核素，氧元素也有三种核素，那么由三种不同的氢原子和三种不同的氧原子，结合成的水分子，不就会有很多种吗？是的，我们用化学式H₂O表示水，表示纯净的水分子是由两个氢元素原子和一个氧元素的原子结合形成的，这些氢原子、氧原子的中子数可能有差异，但是都是氢、氧元素的原子。水分子中原子的结合方式、排列顺序、在空间的相对位置都一样，就是说，水分子的结构完全一样。从这个角度看，水分子只有一种。如果要分辨水分子中氢原子和氧原子是哪一种核素的原子，那么水分子就远不止一种。氢元素有三种原子，氧元素有三种原子。因此，从这些原子结合生成的水分子，除了由H、O组成的水分子外，还有17种水分子，例如，由H（D）、O组成的水分子D₂O。我们平时很少顾及这种差别，因为虽然自然界中水分子种类多，但是由H、O组成的普通的水分子占了99.8%，它比其他17种水分子的任何一种都多好几十倍。也因为这样，我们可以无忧无虑地喝水，不怕因为水中含有放射性的D、T同位素而影响健康。

自然界的水中，含有的D₂O（称为重水）的百分数很小，但绝对数量并不少。海水中重水的含量仅为0.034g/L。但是，海水中含有的重水总量可达2×10¹⁴t，其中含有的重氢（氘）有50亿吨之多。重氢是受控热核聚变的原料，如果从海水中大规模提取重水能实现，海洋就能为人类提供大量的能源。