Die Zusammensetzung eines beliebigen Objekts kann als eine Menge von Element- und Isotopenhäufigkeiten angegeben werden. Man kann z. B. von der Zusammensetzung des Ozeans, des Sonnensystems oder der Galaxie in Form ihrer jeweiligen Element- und Isotopenhäufigkeiten sprechen. Formal bedeutet der Ausdruck Elementhäufigkeiten normalerweise die Mengen der Elemente in einem Objekt, ausgedrückt relativ zu einem bestimmten Element (oder Isotop davon), das als Standard für den Vergleich ausgewählt wurde. Isotopenhäufigkeiten beziehen sich auf die relativen Anteile der stabilen Isotope der einzelnen Elemente. Sie werden meist als Atomprozent angegeben, wie in der Tabelle.
Seit den späten 1930er Jahren haben Geochemiker, Astrophysiker und Kernphysiker gemeinsam versucht, das beobachtete Muster der Element- und Isotopenhäufigkeiten zu erklären. Es hat sich ein mehr oder weniger konsistentes Bild ergeben. Man nimmt an, dass Wasserstoff, viel Helium und einige Lithium-Isotope zur Zeit des Urknalls entstanden sind – der ursprünglichen Explosion, aus der das Universum vermutlich entstanden ist. Der Rest der Elemente stammt direkt oder indirekt von Sternen. Die kosmische Strahlung erzeugt einen beträchtlichen Anteil der Elemente mit Massenzahlen zwischen 5 und 10; diese Elemente sind relativ selten. Es gibt zahlreiche Belege dafür, dass Sterne die schwereren Elemente durch Kernprozesse synthetisieren, die als Nukleosynthese bezeichnet werden. In erster Linie bestimmt also die Nukleosynthese das Muster der Elementhäufigkeiten überall. Das Muster ist nicht unveränderlich, denn nicht alle Sterne sind gleich, und sobald die Materie aus den Sternen entweicht, kann sie verschiedene Prozesse der physikalischen und chemischen Trennung durchlaufen. Ein neu entstandener Kleinplanet kann zum Beispiel nicht genug Anziehungskraft ausüben, um die leichten Gase Wasserstoff und Helium einzufangen. Auf der anderen Seite verändern die Prozesse, die die Elementhäufigkeiten verändern, normalerweise die Isotopenhäufigkeiten in einem viel geringeren Ausmaß. So besteht praktisch alles bisher analysierte terrestrische und meteoritische Eisen aus 5,8 Prozent 54Fe, 91,72 Prozent 56Fe, 2,2 Prozent 57Fe und 0,28 Prozent 58Fe. Die Tabelle listet die Isotopenhäufigkeiten der stabilen Elemente und auch einiger radioaktiver Elemente auf. Die relative Konstanz der Isotopenhäufigkeiten macht es möglich, aussagekräftige mittlere Atommassen für die Elemente tabellarisch zu erfassen. Die Verfügbarkeit von Atommassen ist für Chemiker sehr wichtig.
Während man sich allgemein darüber einig ist, wie sich die Elemente gebildet haben, beschäftigt die Interpretation der Element- und Isotopenhäufigkeiten in bestimmten Körpern weiterhin die Wissenschaftler. Sie beziehen ihre Rohdaten aus mehreren Quellen. Das meiste Wissen über die Häufigkeiten stammt aus der Untersuchung der Erde, von Meteoriten und der Sonne.
Die derzeit akzeptierten Schätzungen der Häufigkeiten im Sonnensystem (im Gegensatz zu den terrestrischen) werden hauptsächlich aus zwei Quellen zusammengesetzt. Chemische Analysen von kohlenstoffhaltigen Chondriten des Typs I, einer speziellen Art von Meteoriten, liefern Informationen über alle außer den flüchtigsten Elementen – also denjenigen, die als Gase existierten, die der Mutterkörper des Meteoriten nicht in repräsentativen Mengen einfangen konnte. Die spektroskopische Analyse des Lichts der Sonne liefert Informationen über die flüchtigen Elemente, die in Meteoriten fehlen.
In dem Maße, wie die Sonne anderen Sternen ähnelt, haben die Element- und Isotopenhäufigkeiten des Sonnensystems universelle Bedeutung. Das Muster des Sonnensystems weist mehrere bemerkenswerte Merkmale auf. Erstens machen die leichteren Isotope, die des Wasserstoffs und des Heliums, mehr als 98 Prozent der Masse aus; die schwereren Isotope machen nur knapp 2 Prozent aus. Zweitens, abgesehen von den unten diskutierten Ausnahmen, nehmen die Häufigkeiten im Allgemeinen ab, wenn A oder Z im Periodensystem der Elemente zunimmt. Zum Beispiel enthält das Sonnensystem als Ganzes etwa eine Million Mal mehr Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als die viel schwereren Elemente Platin und Gold, obwohl die Anteile der letzteren von Objekt zu Objekt stark variieren können. Die Abnahme der Häufigkeit mit zunehmender Masse spiegelt zum Teil die sukzessive Natur der Nukleosynthese wider. Bei der Nukleosynthese dient ein Nuklid mit geringerer Masse oft als Keim oder Ziel für die Produktion eines Nuklids mit höherer Masse. Da die Umwandlung des Targets mit geringerer Masse in das Produkt mit höherer Masse in der Regel bei weitem nicht vollständig ist, neigen die Häufigkeiten dazu, mit zunehmender Masse abzunehmen. Ein drittes interessantes Merkmal ist, dass stabile Isotope mit geraden Protonen- und Neutronenzahlen häufiger vorkommen als Isotope mit ungeraden (der sogenannte Odd-Even-Effekt). Von den fast 300 bekannten stabilen Nukliden haben nur fünf eine ungerade Anzahl von Protonen und Neutronen; mehr als die Hälfte hat gerade Werte von Z und N. Viertens stechen unter den Isotopen mit geraden Z- und N-Werten bestimmte Spezies durch ihre beträchtliche Kernstabilität und vergleichsweise hohe Abundanzen hervor. Nuklide, die eine gleiche und gerade Anzahl von Neutronen und Protonen haben, die „Alpha-Teilchen“-Nuklide, fallen in diese Kategorie, zu der auch Kohlenstoff-12, Magnesium-24 und Argon-36 gehören. Schließlich treten Spitzen in der Häufigkeitsverteilung in der Nähe der speziellen Werte von Z und N auf, die oben als magische Zahlen definiert wurden. Die hohen Häufigkeiten manifestieren die zusätzliche Kernstabilität, die durch die magischen Zahlen verliehen wird. Zu den Elementen mit erhöhten Häufigkeiten gehören Nickel (Z = 28), Zinn (Z = 50) und Blei (Z = 82).
Die Untersuchung der kosmischen Strahlung und des von Sternen ausgesandten Lichts liefert Informationen über Element- und Isotopenhäufigkeiten außerhalb des Sonnensystems. Kosmische Strahlung sind Atomkerne oder Elektronen mit hoher Energie, die in der Regel von außerhalb des Sonnensystems kommen. Die Sonne produziert ebenfalls kosmische Strahlung, aber mit einer viel geringeren durchschnittlichen Energie als die, die das Sonnensystem von außerhalb erreicht. Das Häufigkeitsmuster in der kosmischen Strahlung ähnelt dem des Sonnensystems in vielerlei Hinsicht, was darauf hindeutet, dass die solaren und allgemeinen galaktischen Häufigkeiten ähnlich sein könnten. Zwei Erklärungen wurden vorgebracht, um zu erklären, warum die Häufigkeiten von Sonnen- und kosmischer Strahlung nicht in allen Punkten übereinstimmen. Die erste ist, dass die kosmische Strahlung Kernreaktionen durchläuft, d.h. Kollisionen, die ihre Kerne umwandeln, wenn sie interstellare Materie durchquert. Die zweite ist, dass Material von ungewöhnlichen Sternen mit exotischen Zusammensetzungen in der kosmischen Strahlung stärker vertreten sein kann.
Die Bestimmung von Element- und Isotopenhäufigkeiten in Sternen der Milchstraßengalaxie und von weiter entfernten Galaxien stellt gewaltige experimentelle Schwierigkeiten dar. Die Forschung auf diesem Gebiet ist aktiv und zeigt Trends in der Zusammensetzung der Sterne, die mit der Theorie der Nukleosynthese übereinstimmen. Die „Metallizität“ – oder der Anteil schwerer Elemente in Sternen – scheint zum Beispiel mit dem Alter des Sterns zuzunehmen. Außerdem sind viele Sterne bekannt, deren Zusammensetzung sich weit von der des Sonnensystems unterscheidet. Ihre Existenz hat einige Forscher dazu veranlasst, daran zu zweifeln, ob das Konzept der kosmischen Häufigkeiten im Gegensatz zu denen des Sonnensystems sinnvoll ist. Für die Gegenwart reicht es vielleicht aus, den amerikanischen Astrophysiker James W. Truran zu zitieren:
Das lokale Muster der Abundanzen ist im Allgemeinen repräsentativ. Die groben Häufigkeitsmerkmale in unserer Galaxie, in anderen Galaxien und sogar anscheinend in Quasaren sind im Allgemeinen denen der Materie des Sonnensystems ähnlich, was darauf hindeutet, dass die zugrundeliegenden stellaren Systeme die gleichen nukleosynthetischen Prozesse teilen.