Harold Urey
Deuterium

Khoảng thời gian này, William Giauque và Herrick L. Johnston tại Đại học California phát hiện ra các đồng vị ổn định của oxy. Đồng vị đã không được hiểu rõ tại thời điểm đó; James Chadwick sẽ không khám phá ra neutron cho đến năm 1932. Hai hệ thống được sử dụng để phân loại chúng, dựa trên tính chất hóa học và vật lý. Loại thứ hai được xác định bằng cách sử dụng phổ quang phổ khối. Vì nó đã được biết rằng trọng lượng nguyên tử của oxy đã gần như chính xác gấp 16 lần so với hydro, Raymond Birge và Donald Menzel đã đưa ra giả thuyết rằng hydro cũng có nhiều hơn một đồng vị. Dựa trên sự khác biệt giữa kết quả của hai phương pháp, họ dự đoán rằng chỉ có một nguyên tử hydro trong 4.500 là đồng vị nặng.
Năm 1931, Urey tìm ra nó. Urey và George Murphy tính từ dòng Balmer rằng đồng vị nặng nên có các đường dây chuyển đổi từ 1.1 đến 1.8 ångströms (1.1 x 10-10 to 1.8 x 10-10 mét). Urey đã được sử dụng một thiết bị quang phổ hấp dẫn dài 21 feet (6.4 m), một thiết bị nhạy cảm đã được lắp đặt gần đây tại Columbia và có khả năng giải quyết dòng Balmer. Nó có độ phân giải 1 Å / mm, do đó trên máy này, sự khác biệt là khoảng 1 mm. Tuy nhiên, vì chỉ có một nguyên tử ở 4.500 là nặng, đường trên quang phổ rất mờ. Do đó, Urey quyết định trì hoãn xuất bản kết quả của mình cho đến khi ông có thêm bằng chứng thuyết phục rằng đó là hydro nặng.
Urey và Murphy tính từ mô hình Debye rằng đồng vị nặng sẽ có điểm sôi hơi cao hơn ánh sáng một. Bằng cách cẩn thận làm nóng hydro lỏng, 5 lít hydro lỏng có thể được chưng cất đến 1 mililit, sẽ được làm giàu trong đồng vị nặng từ 100 đến 200 lần. Để có được 5 lít hydro lỏng, họ đã đi đến phòng thí nghiệm cryogenic tại National Bureau of Standards ở Washington, D.C., nơi họ nhận được sự trợ giúp của Ferdinand Brickwedde, người mà Urey đã biết ở Johns Hopkins.
Mẫu đầu tiên mà Brickwedde gửi đã được làm bay hơi ở 20 K (-253,2 °C, -423,7 °F) ở áp suất 1 bầu không khí tiêu chuẩn (100 kPa). Đáng ngạc nhiên của họ, điều này cho thấy không có bằng chứng làm giàu. Brickwedde sau đó chuẩn bị một mẫu thứ hai bay hơi ở 14 K (-259,1 °C, -434,5 °F) ở áp suất 53 mmHg (7,1 kPa). Trên mẫu này, dòng Balmer cho hydro nặng gấp 7 lần. Bài báo công bố khám phá ra cái mà chúng ta gọi là deuterium đã được Urey, Murphy và Brickwedde xuất bản năm 1932. Urey được trao Giải Nobel Hóa học năm 1934 vì "sự phát hiện của ông về hydro nặng". Ông từ chối tham dự buổi lễ tại Stockholm, để ông có thể có mặt tại sự ra đời của con gái mình là Mary Alice.
Làm việc với Edward W. Washburn từ Bureau of Standards, Urey sau đó phát hiện ra lý do cho mẫu bất thường. Hydro Brickwedde đã được tách ra từ nước bằng điện phân, dẫn đến mẫu đã cạn kiệt. Hơn nữa, Francis William Aston đã báo cáo rằng giá trị tính toán cho trọng lượng nguyên tử của hydro là sai, do đó làm mất hiệu lực lý luận ban đầu của Birge và Menzel. Tuy nhiên, phát hiện ra deuterium đã vẫn đứng vững.
Urey và Washburn đã cố gắng sử dụng điện phân để tạo ra nước nặng tinh khiết. Kỹ thuật của họ là âm thanh, nhưng họ đã bị đánh bại vào năm 1933 bởi Lewis, người có nguồn lực của Đại học California giúp đỡ theo đề xướng của ông. Sử dụng phương pháp xấp xỉ Born-Oppenheimer, Urey và David Rittenberg đã tính toán các tính chất của khí có chứa hydro và deuterium. Họ mở rộng điều này để làm giàu các hợp chất của cacbon, nitơ và oxy. Chúng có thể được sử dụng làm chất tra cứu trong sinh hóa học, dẫn đến một phương pháp kiểm tra phản ứng hóa học hoàn toàn mới. Ông thành lập Tạp chí Vật lý Hoá học năm 1932, và là biên tập viên đầu tiên, phục vụ trong khả năng đó cho đến năm 1940.
Urey đã đóng góp một bài báo khoa học cho The Scientific Monthly về Irving Langmuir, người đã phát minh ra việc hàn hydro nguyên tử vào năm 1911 bằng cách sử dụng 300 đến 650 volt điện và sợi filament wolfram, và đã giành được Giải Nobel Hóa học năm 1932 cho công trình hóa học bề mặt của ông.
Tại Columbia, Urey chủ tọa Đại học Liên minh Dân chủ và Tự do Trí tuệ. Ông ủng hộ đề xuất của Đại Tây Dương Clarence Streit về một liên minh liên bang của các nền dân chủ lớn trên thế giới và nguyên nhân của cộng hòa trong cuộc Nội chiến Tây Ban Nha. Ông là một đối thủ đầu tiên của chủ nghĩa phát xít Đức và trợ giúp các nhà khoa học tị nạn, bao gồm cả Enrico Fermi, bằng cách giúp họ tìm được việc làm ở Hoa Kỳ và điều chỉnh cuộc sống ở một đất nước mới.