最終更新日: 2025 年 8 月 29 日

豊富な化学元素

画像の説明: AGW Cameron の数値データに基づく、宇宙における化学元素の相対存在量。Z元素の原子番号です。元素の存在量は原子番号 (Z) とともに指数関数的に減少します。リチウム、ベリリウム、ホウ素は、原子番号が低いにもかかわらず枯渇を示す例外です。鉄 (Fe) の付近に顕著な多量のピークがあります。偶数の Z は、その奇数の隣接する Z よりも豊富です。画像の出典：パブリックドメイン。

存在量と質量比

今日、私たちは宇宙における化学元素の存在量をほぼ知っており、この値は元素の存在量または希少性を表します。

存在量とは、特定の環境に存在する分子の他の元素に対する質量比または比率です。ほとんどの存在量は質量比で表されます。たとえば、水中の酸素の質量存在量は約 89% であり、これは水の質量のうち酸素で構成される割合です。

観測可能な宇宙では、水素の質量存在量は 74% です。 WMAP 衛星による空のスキャンは、宇宙が 73% の暗黒エネルギー、23% の冷たい暗黒物質、およびわずか 4% の原子 (化学元素) で構成されていることを示しています。

これらの元素は、陽子、中性子、電子からなる通常のバリオン物質を構成しますが、中性子星などの宇宙の特定の領域では、物質がイオンの形をとることもあります。

宇宙で最も豊富な元素は水素であり、ヘリウム、酸素、炭素、ネオン、窒素、マグネシウムなどが続きます。水素とヘリウム、つまり最も軽い元素（原子番号 1 と 2）の豊富さは、それらに比べて希少な他の元素を圧倒します。

水素とヘリウムは、ビッグバン直後の原始元素合成で生成されました。他のすべての（より重い）元素は、恒星の元素合成の際に恒星内でずっと後に生成されました。水素とヘリウムはそれぞれ宇宙の全バリオン物質の約 92% と約 7% を占めますが、他の元素、つまり残りの 1% は生命の出現を可能にするかなりの質量を構成します。

元素の存在量は原子番号 (Z) とともに指数関数的に減少します。リチウム、ベリリウム、ホウ素は、原子番号が低いにもかかわらず枯渇を示す例外です。鉄 (Fe) の付近に顕著な多量のピークがあります。偶数の Z は奇数の隣接する Z よりも多く存在し、これが曲線にこの鋸歯状の効果 (偶数-奇数効果) を生み出すものです。

原始太陽星雲

原始太陽系星雲では、水素 (H) とヘリウム (He) が存在する全元素数の 99.8% を占めています。残りの 0.2% には、(H と He の後に) 酸素、炭素、ネオン、窒素、シリコン、マグネシウム、硫黄、アルゴン、鉄、ナトリウム、塩素、アルミニウム、カルシウムなどが順番に含まれています。

回転する原始的な雲が冷えると、元素は凝縮し始めました。物質のある状態から別の状態への遷移は状態変化と呼ばれます。

物質が凝縮すると状態が変化し、液体状態を経ずに気体状態から固体状態に直接変化します。これを熱力学で呼びます。結露。

この変化は、体積、温度、および/または圧力の変化の影響下で発生します。したがって、星雲の中心近くには、金属や岩石などの耐熱性に優れた耐火物が見つかります。

さらに遠くには、水氷（H2O）などの揮発性物質が見つかるでしょう。

さらに遠くには、二酸化炭素 (CO2)、メタン (CH4)、二窒素 (N2)、氷の分子が存在します。したがって、「固体の核を持つ」地球型惑星とガス型惑星が星の近くに形成されます。非常に重い核（地球の質量の 2 ～ 4 倍）を持つものは、星雲の原始的なガスを保持しており、これらは巨大ガス惑星です。

化学元素の相対存在量の表

Z	Symbol	Elements	Universe	Sun	Earth
1	H	Hydrogen	92 %	94 %	0.2 %
2	He	Helium	7.1%	6 %
8	O	Oxygen	0.1 %	0.06 %	48.8 %
6	C	Carbon	0.06 %	0.04 %	0.02 %
10	Ne	Neon	0.012 %	0.004 %
7	N	Nitrogen	0.015 %	0.007 %	0.004 %
14	Si	Silicon	0.005 %	0.005 %	13.8 %
12	Mg	Magnesium	0.005 %	0.004 %	16.5 %
26	Fe	Iron	0.004 %	0.003 %	14.3 %
16	S	Sulfur	0.002 %	0.001 %	3.7 %