La composizione di qualsiasi oggetto può essere data come un insieme di abbondanze elementari e isotopiche. Si può parlare, per esempio, della composizione dell’oceano, del sistema solare o della Galassia in termini delle rispettive abbondanze elementari e isotopiche. Formalmente, la frase abbondanze elementari di solito connota le quantità di elementi in un oggetto espresse rispetto a un particolare elemento (o isotopo di esso) selezionato come standard per il confronto. Le abbondanze isotopiche si riferiscono alle proporzioni relative degli isotopi stabili di ogni elemento. Sono più spesso citate come percentuali di atomi, come nella tabella.
Dalla fine degli anni ’30, geochimici, astrofisici e fisici nucleari si sono uniti per cercare di spiegare il modello osservato delle abbondanze elementari e isotopiche. È emerso un quadro più o meno coerente. Si pensa che l’idrogeno, molto elio e alcuni isotopi di litio si siano formati al momento del big bang, l’esplosione primordiale da cui si crede che l’universo abbia avuto origine. Il resto degli elementi proviene, direttamente o indirettamente, dalle stelle. I raggi cosmici producono una parte considerevole degli elementi con numeri di massa tra 5 e 10; questi elementi sono relativamente rari. Un corpo sostanziale di prove dimostra che le stelle sintetizzano gli elementi più pesanti attraverso processi nucleari chiamati collettivamente nucleosintesi. In prima istanza, quindi, la nucleosintesi determina il modello delle abbondanze elementari ovunque. Il modello non è immutabile, perché non tutte le stelle sono uguali e una volta che la materia esce dalle stelle può subire vari processi di separazione fisica e chimica. Un piccolo pianeta appena formato, per esempio, potrebbe non esercitare abbastanza attrazione gravitazionale per catturare i gas leggeri idrogeno ed elio. D’altra parte, i processi che cambiano le abbondanze elementari normalmente alterano le abbondanze isotopiche in misura molto minore. Così, praticamente tutto il ferro terrestre e meteoritico analizzato fino ad oggi consiste di 5,8% 54Fe, 91,72% 56Fe, 2,2% 57Fe e 0,28% 58Fe. La tabella elenca le abbondanze isotopiche degli elementi stabili e di alcuni elementi radioattivi. La relativa costanza delle abbondanze isotopiche rende possibile tabulare masse atomiche medie significative per gli elementi. La disponibilità delle masse atomiche è molto importante per i chimici.
Mentre esiste un accordo generale su come si sono formati gli elementi, l’interpretazione delle abbondanze elementari e isotopiche in corpi specifici continua ad occupare l’attenzione degli scienziati. Essi ottengono i loro dati grezzi da diverse fonti. La maggior parte delle conoscenze riguardanti le abbondanze proviene dallo studio della Terra, dei meteoriti e del Sole.
Le stime attualmente accettate delle abbondanze del sistema solare (rispetto a quelle terrestri) sono messe insieme principalmente da due fonti. Le analisi chimiche delle condriti carbonacee di tipo I, un tipo speciale di meteorite, forniscono informazioni su tutti gli elementi tranne i più volatili, cioè quelli che esistevano come gas che il corpo madre del meteorite non poteva trattenere in quantità rappresentative. L’analisi spettroscopica della luce del Sole fornisce informazioni sugli elementi volatili carenti nei meteoriti.
Nella misura in cui il Sole assomiglia ad altre stelle, le abbondanze elementari e isotopiche del sistema solare hanno un significato universale. Il modello del sistema solare ha diverse caratteristiche degne di nota. In primo luogo, gli isotopi più leggeri, quelli di idrogeno ed elio, costituiscono più del 98% della massa; gli isotopi più pesanti costituiscono appena il 2%. In secondo luogo, a parte le eccezioni discusse di seguito, come A o Z aumenta attraverso la tavola periodica degli elementi, le abbondanze generalmente diminuiscono. Per esempio, il sistema solare nel suo complesso contiene circa un milione di volte più carbonio, azoto e ossigeno degli elementi molto più pesanti platino e oro, anche se le proporzioni di questi ultimi possono variare ampiamente da oggetto a oggetto. La diminuzione dell’abbondanza con l’aumentare della massa riflette in parte la natura successiva della nucleosintesi. Nella nucleosintesi un nuclide di massa inferiore spesso serve come seme o bersaglio per la produzione di un nuclide di massa superiore. Poiché la conversione del bersaglio di massa inferiore nel prodotto di massa superiore è di solito lungi dall’essere completa, le abbondanze tendono a diminuire all’aumentare della massa. Una terza caratteristica interessante è che gli isotopi stabili con un numero pari di protoni e neutroni si presentano più spesso degli isotopi con un numero dispari (il cosiddetto effetto pari-dispari). Su quasi 300 nuclidi stabili conosciuti, solo cinque hanno numeri dispari di protoni e neutroni; più della metà hanno valori pari di Z e N. In quarto luogo, tra gli isotopi con Z e N pari alcune specie si distinguono in virtù della loro notevole stabilità nucleare e abbondanze relativamente alte. I nuclidi che hanno un numero pari e uguale di neutroni e protoni, i nuclidi “a particelle alfa”, rientrano in questa categoria, che include il carbonio-12, il magnesio-24 e l’argon-36. Infine, i picchi nella distribuzione dell’abbondanza si verificano vicino ai valori speciali di Z e N definiti sopra come numeri magici. Le abbondanze elevate manifestano la stabilità nucleare extra che i numeri magici conferiscono. Gli elementi con abbondanze più elevate includono nichel (Z = 28), stagno (Z = 50), e piombo (Z = 82).
Lo studio dei raggi cosmici e della luce emessa dalle stelle fornisce informazioni sulle abbondanze elementari e isotopiche al di fuori del sistema solare. I raggi cosmici sono nuclei atomici o elettroni ad alta energia che generalmente provengono dall’esterno del sistema solare. Anche il Sole produce raggi cosmici, ma di energia media molto più bassa di quelli che raggiungono il sistema solare dall’esterno. Il modello di abbondanza nei raggi cosmici assomiglia a quello del sistema solare in molti modi, suggerendo che le abbondanze solari e galattiche complessive possono essere simili. Due spiegazioni sono state avanzate per spiegare perché le abbondanze dei raggi solari e dei raggi cosmici non concordano in tutti gli aspetti. La prima è che i raggi cosmici subiscono reazioni nucleari, cioè collisioni che trasformano i loro nuclei, mentre attraversano la materia interstellare. Il secondo è che il materiale proveniente da stelle insolite con composizioni esotiche può essere più prominente nei raggi cosmici.
La determinazione delle abbondanze elementari e isotopiche nelle stelle della Via Lattea e di galassie più distanti pone formidabili difficoltà sperimentali. La ricerca nel campo è attiva e rivela tendenze nella composizione delle stelle che sono coerenti con la teoria nucleosintetica. La “metallicità” – o la proporzione di elementi pesanti nelle stelle, per esempio, sembra aumentare con l’età stellare. Inoltre, sono note molte stelle con composizioni molto diverse da quelle del sistema solare. La loro esistenza ha portato alcuni ricercatori a dubitare che il concetto di abbondanze cosmiche, in opposizione a quelle del sistema solare, sia significativo. Per il presente è forse sufficiente citare l’astrofisico americano James W. Truran:
Il modello locale delle abbondanze è generalmente rappresentativo. Le caratteristiche grossolane di abbondanza in tutta la nostra galassia, in altre galassie, e anche apparentemente nei quasar sono generalmente simili a quelle della materia del sistema solare, a testimonianza del fatto che i sistemi stellari sottostanti condividono gli stessi processi nucleosintetici.