Космическая распространённость элементов отражает совокупный результат нуклеосинтеза в ранней Вселенной, эволюции звёзд, процессов взрывного синтеза и химической дифференциации вещества в галактиках и планетных системах. Количественные соотношения элементов служат фундаментальной основой космохимии, позволяя прослеживать происхождение вещества и условия его преобразования на разных этапах космической истории.
Непосредственно после Большого взрыва происходил первичный нуклеосинтез, определивший исходное соотношение лёгких элементов. В течение первых минут существования Вселенной сформировались:
Элементы тяжелее лития в заметных количествах на этом этапе не образовывались из-за быстрого падения температуры и плотности. Таким образом, химический потенциал ранней Вселенной был крайне ограничен и определил исходную доминанту водорода и гелия, сохраняющуюся до настоящего времени.
Основная масса элементов периодической системы сформировалась в недрах звёзд и при их взрывах. Различные механизмы синтеза определяют характерные группы элементов:
Термоядерное горение в звёздах главной последовательности Образование гелия из водорода (p–p цепь, CNO-цикл).
Горение гелия и последующие стадии эволюции массивных звёзд Формирование углерода, кислорода, неона, магния, кремния, серы.
Железный пик Элементы от хрома до никеля образуются в поздних стадиях эволюции и при коллапсе ядер массивных звёзд. Железо является энергетическим пределом термоядерного синтеза.
Захват нейтронов
Именно многократное перераспределение вещества между поколениями звёзд обусловило постепенное обогащение межзвёздной среды тяжёлыми элементами.
Для описания космической распространённости широко используется логарифмическая шкала, в которой содержание водорода принимается равным 12:
[ N() = 12]
Относительные содержания других элементов выражаются как:
Эта шкала отражает экспоненциальное падение концентраций по мере увеличения атомного номера, с выраженными локальными закономерностями.
Одной из фундаментальных особенностей космической распространённости является чётно-нечётный эффект: элементы с чётным атомным номером (O, Mg, Si, Ca, Fe) значительно более распространены, чем соседние нечётные (N, Na, Al, P). Причина заключается в большей ядерной стабильности чётно-чётных конфигураций и механизмах альфа-захвата в звёздном нуклеосинтезе.
Космическая распространённость элементов не тождественна их распределению в твёрдом веществе планет и метеоритов. Ключевую роль играет температура конденсации:
Это приводит к тому, что, например, Земля значительно обеднена водородом и гелием по сравнению с их космической распространённостью.
Практическая оценка космической распространённости элементов основана на двух ключевых источниках:
Сопоставление этих данных показывает почти полное совпадение для нелетучих элементов, что позволяет использовать CI-хондриты как эталон космохимического состава твёрдой материи.
Помимо элементного состава, важную информацию несёт изотопное распределение. Относительные содержания изотопов:
Изотопные аномалии кислорода, кальция, титана и молибдена в метеоритах указывают на сохранение допланетного вещества, не полностью перемешанного в Солнечной туманности.
Космическая распространённость элементов не является универсальной величиной для всей Вселенной. Она изменяется во времени и пространстве:
Этот процесс непрерывного накопления тяжёлых элементов называют галактической химической эволюцией, и он определяет химические предпосылки формирования планет и, в конечном счёте, сложных структур вещества.
Современное распределение элементов характеризуется:
Эти закономерности образуют фундамент космохимии и служат связующим звеном между физикой элементарных частиц, астрофизикой и химией планетного вещества.