化学中所学到的水分子式是H₂O，分子量为18。这个水分子的定义是来自原子量为1的氢原子和原子量为16的氧原子所组成。实际上自然界中水并不仅是H₂O，也存在着其他形式的水分子。例如，1934年获诺贝尔化学奖的美国物理化学家 哈罗德•克莱顿•尤里（Harold  Clayton UREY，1893-1981）在1931年发现了重氢，并命名为氘(Deuterium)。由这种氘原子与氧原子结合而成的水分子俗称为重水（D₂O）。之后，人们又相继发现氚（³H: tritium）及oxygen 16,17和18三种不同的氧原子的存在。因此，我们日常饮用的自然界中的水正是由这些不同原子量的氢和氧原子分别组成十八种混合水。

自然界存在的氘和氢的比例为1：69000，而三种氧原子的比例分别为99.759：0.037：0.204。自然界的水经历了数十亿年的漫长岁月和无数次循环，在地球任何一处的这种比例都近似一致。

由于宇宙线作用在大气上层的形成的氚的放射性半衰期为12.3年，所以人们常常利用测定氚的含量来推算密封在瓶子里的葡萄酒和白兰地等酒的酿造时间。因此，也有人将这种同位素测定法作为分子时间钟。