De samenstelling van een object kan worden gegeven als een verzameling elementaire en isotopische abundanties. Men kan bijvoorbeeld spreken over de samenstelling van de oceaan, het zonnestelsel of zelfs het Melkwegstelsel in termen van de respectieve elementaire en isotopische abundanties. Formeel betekent de uitdrukking elementaire abundanties gewoonlijk de hoeveelheden van de elementen in een voorwerp uitgedrukt ten opzichte van één bepaald element (of isotoop ervan) dat als vergelijkingsstandaard wordt gekozen. Isotopische abundanties verwijzen naar de relatieve verhoudingen van de stabiele isotopen van elk element. Zij worden meestal uitgedrukt als atoompercentages, zoals in de tabel.
Sinds het eind van de jaren 1930 hebben geochemici, astrofysici en kernfysici samen geprobeerd het waargenomen patroon van elementaire en isotopische abundanties te verklaren. Er is een min of meer consistent beeld naar voren gekomen. Aangenomen wordt dat waterstof, veel helium en sommige lithium-isotopen zijn gevormd ten tijde van de oerknal – de oerexplosie waaruit het heelal zou zijn ontstaan. De rest van de elementen is, direct of indirect, afkomstig van sterren. Kosmische straling produceert een aanzienlijk deel van de elementen met massagetallen tussen 5 en 10; deze elementen zijn relatief zeldzaam. Een groot aantal bewijzen toont aan dat sterren de zwaardere elementen synthetiseren door nucleaire processen die nucleosynthese worden genoemd. In eerste instantie bepaalt de nucleosynthese dus overal het patroon van de elementaire abundanties. Dit patroon is niet onveranderlijk, want niet alle sterren zijn gelijk en zodra materie uit sterren ontsnapt, kan het verschillende fysische en chemische scheidingsprocessen ondergaan. Een pas gevormde kleine planeet kan bijvoorbeeld niet genoeg aantrekkingskracht uitoefenen om de lichte gassen waterstof en helium op te vangen. Aan de andere kant veranderen de processen die de elementaire abundanties veranderen normaal gesproken de isotopische abundanties in veel mindere mate. Zo bestaat vrijwel al het tot nu toe geanalyseerde aardse en meteorietijzer uit 5,8 procent 54Fe, 91,72 procent 56Fe, 2,2 procent 57Fe, en 0,28 procent 58Fe. In de tabel staan de isotopische abundanties van de stabiele elementen en ook van enkele radioactieve elementen. De relatieve constantheid van de isotopische abundanties maakt het mogelijk om zinvolle gemiddelde atoommassa’s voor de elementen te berekenen. De beschikbaarheid van atoommassa’s is van groot belang voor scheikundigen.
Hoewel er algemene overeenstemming bestaat over hoe de elementen zijn gevormd, blijft de interpretatie van de elementaire en isotopische abundanties in specifieke lichamen de aandacht van wetenschappers bezig houden. Zij verkrijgen hun ruwe gegevens uit verschillende bronnen. De meeste kennis over abundanties is afkomstig van de studie van de Aarde, meteorieten en de Zon.
De huidige schattingen van de abundanties in het zonnestelsel (in tegenstelling tot die op aarde) zijn voornamelijk afkomstig van twee bronnen. Chemische analyses van Type I koolstofhoudende chondrieten, een speciaal soort meteorieten, geven informatie over alle elementen behalve de meest vluchtige – d.w.z. de elementen die als gassen bestonden en die niet in representatieve hoeveelheden in het moederlichaam van de meteoriet konden worden ingesloten. Spectroscopische analyse van het licht van de zon geeft informatie over de vluchtige elementen die in meteorieten ontbreken.
Voor zover de zon op andere sterren lijkt, hebben de elementaire en isotopische abundanties van het zonnestelsel een universele betekenis. Het patroon van het zonnestelsel heeft verschillende opmerkelijke kenmerken. Ten eerste maken de lichtere isotopen, die van waterstof en helium, meer dan 98 procent van de massa uit; de zwaardere isotopen maken nauwelijks 2 procent uit. Ten tweede, afgezien van de hieronder besproken uitzonderingen, nemen de abundanties in het algemeen af naarmate A of Z toeneemt in het periodiek systeem van de elementen. Zo bevat het zonnestelsel als geheel ongeveer een miljoen maal meer koolstof, stikstof en zuurstof dan de veel zwaardere elementen platina en goud, hoewel de verhoudingen van de laatste sterk kunnen variëren van object tot object. De afname van de abundantie met toenemende massa weerspiegelt ten dele de opeenvolgende aard van de nucleosynthese. Bij de nucleosynthese dient een nuclide met een lagere massa vaak als kiem of doelwit voor de productie van een nuclide met een hogere massa. Aangezien de omzetting van het doelwit met een lagere massa in het product met een hogere massa gewoonlijk verre van volledig is, hebben de abundanties de neiging af te nemen naarmate de massa toeneemt. Een derde interessant kenmerk is dat stabiele isotopen met even aantallen protonen en neutronen vaker voorkomen dan isotopen met oneven aantallen (het zogenoemde oneven-even-effect). Van de bijna 300 bekende stabiele nucliden hebben er slechts vijf oneven aantallen van zowel protonen als neutronen; meer dan de helft heeft even waarden van Z en N. Ten vierde vallen onder de isotopen met even Z en N bepaalde soorten op door hun grote nucleaire stabiliteit en betrekkelijk hoge abundanties. Nucliden met gelijke en even aantallen neutronen en protonen, de “alfadeeltjes”-nucliden, vallen in deze categorie, waartoe ook koolstof-12, magnesium-24 en argon-36 behoren. Tenslotte komen pieken in de abundantieverdeling voor in de buurt van de speciale waarden van Z en N die hierboven als magische getallen zijn gedefinieerd. De hoge abundanties manifesteren de extra nucleaire stabiliteit die de magische getallen verlenen. Elementen met verhoogde abundanties zijn onder andere nikkel (Z = 28), tin (Z = 50) en lood (Z = 82).
De studie van kosmische straling en van het licht dat door sterren wordt uitgezonden, levert informatie op over de elementaire en isotopische abundanties buiten het zonnestelsel. Kosmische stralen zijn atoomkernen of elektronen met hoge energie die in het algemeen van buiten het zonnestelsel komen. De zon produceert ook kosmische stralen, maar met een veel lagere gemiddelde energie dan de stralen die van buiten het zonnestelsel bereiken. Het abundantiepatroon in kosmische stralen lijkt in veel opzichten op dat van het zonnestelsel, wat suggereert dat de abundanties van het zonnestelsel en het galactische stelsel in het algemeen vergelijkbaar kunnen zijn. Twee verklaringen zijn naar voren gebracht om te verklaren waarom de abundanties van zonnestralen en kosmische stralen niet in alle opzichten overeenkomen. De eerste is dat kosmische stralen kernreacties ondergaan, d.w.z. botsingen die hun kernen transformeren, wanneer zij door interstellaire materie gaan. De tweede is dat materiaal van ongebruikelijke sterren met exotische samenstellingen mogelijk prominenter aanwezig is in kosmische straling.
De bepaling van elementaire en isotopische abundanties in sterren van het Melkwegstelsel en van verder weg gelegen melkwegstelsels levert formidabele experimentele moeilijkheden op. Het onderzoek op dit gebied is actief en brengt tendensen in de samenstelling van sterren aan het licht die in overeenstemming zijn met de nucleosynthetische theorie. De “metalliciteit” – of het aandeel van zware elementen in sterren – lijkt bijvoorbeeld toe te nemen met de stellaire leeftijd. Bovendien zijn er veel sterren bekend met een samenstelling die sterk afwijkt van die van het zonnestelsel. Hun bestaan heeft sommige onderzoekers aan het twijfelen gebracht of het concept van kosmische, in tegenstelling tot zonnestelsel, abundanties wel zinvol is. Voor dit moment is het misschien voldoende om de Amerikaanse astrofysicus James W. Truran te citeren:
Het lokale patroon van abundanties is over het algemeen representatief. De kenmerken van de abundanties in ons melkwegstelsel, in andere melkwegstelsels, en zelfs blijkbaar in quasars, zijn over het algemeen vergelijkbaar met die van materie uit zonnestelsels, hetgeen getuigt van het feit dat de onderliggende stelsels dezelfde nucleosynthetische processen hebben.