Un elemento químico es un tipo de átomo, como el hidrógeno o el oxígeno. En 2011, se habían observado 118 elementos, 98 de los cuales ocurren naturalmente en la Tierra. 20 elementos se crean artificialmente en reactores nucleares o experimentos con aceleradores de partículas. El primer elemento sintético creado en cantidades sustanciales fue el plutonio, elemento 94. El plutonio es también el átomo más pesado que se encuentra naturalmente en la Tierra. Con una vida media de solo 80 millones de años, el plutonio se encuentra en cantidades extremadamente pequeñas en los minerales de uranio.
Los elementos químicos actuales provienen de una de estas tres fuentes: nucleosíntesis de supernova, nucleosíntesis estelar y nucleosíntesis del Big Bang. La nucleosíntesis ocurre cuando los núcleos atómicos se presionan entre sí de manera tan estrecha y a un calor tan alto que superan la repulsión mutua de sus capas de electrones y producen núcleos más pesados. De esta manera, los núcleos de hidrógeno pueden fusionarse en núcleos de helio, que a su vez pueden fusionarse en núcleos de carbono, si se alcanzan condiciones de temperatura y presión suficientes.
Al principio, el universo era tan caliente y denso que no se componía más que de quarks libres, los componentes de los protones y neutrones, electrones y radiación. Después de una millonésima de segundo, los quarks comenzaron a fusionarse en bariones: protones y neutrones. Durante los primeros veinte minutos después del Big Bang, la temperatura del universo superó la del centro de las estrellas más brillantes, con una densidad mayor que la del aire. Durante este período, protones y neutrones chocaron enérgicamente para formar núcleos más grandes: deuterio y dos isótopos de helio. El 25 por ciento de toda la materia del universo se convirtió en helio, con aproximadamente un 75 por ciento de hidrógeno, junto con trazas de elementos más pesados como el litio. Esto es similar a la proporción actual de elementos químicos.
Las primeras estrellas se formaron unos 300 millones de años después del Big Bang, iniciando otra forma de nucleosíntesis llamada nucleosíntesis estelar. En la nucleosíntesis estelar, la materia muy compactada en el centro de una estrella sufre una fusión nuclear, liberando grandes cantidades de energía y equilibrando las fuerzas de gravedad que actúan para colapsar la estrella. Esto se puede considerar como una bomba H que explota continuamente. Los elementos hasta el hierro en la tabla periódica se forman en la nucleosíntesis estelar.
Para crear un elemento más pesado que el hierro se requiere otro tipo de nucleosíntesis, la nucleosíntesis de supernova. Las supernovas ocurren cuando las estrellas colapsan catastróficamente después de consumir todo su combustible nuclear en sus núcleos. La envoltura atmosférica de la estrella colapsa hacia adentro debido a la gravedad, rebotando en un núcleo hecho de materia casi incompresible de “electrones degenerados”. Durante este brusco rebote, varios por ciento del material de la estrella se fusiona en elementos más pesados casi instantáneamente. Esto libera suficiente energía para que la supernova eclipse a su galaxia anfitriona durante días o semanas. Los elementos más pesados que el hierro se sintetizan durante este evento cósmico increíblemente enérgico.