Helium (af detgræske ord forSolen; ἥλιος,helios) er det2.grundstof i detperiodiske system, og har detkemiske symbolHe. Under normaletryk- ogtemperaturforhold optræder denneædelgas som en farveløs, lugt- og smagsfri, enatomig, inaktiv og ugiftiggasart. Heliumskoge- ogsmeltepunkter er de laveste blandt grundstofferne, og kun under ekstreme betingelser (højt tryk og lav temperatur) kan stoffet optræde som andet end en gas.
En anden, mindre seriøs anvendelse er at indånde en lille dosis helium, hvorefter ens stemme for en kort stund lyder markant anderledes. Indånding af helium frarådes imidlertid på det stærkeste, fordi indånding af en gas uden, eller med lidt oxygen, vil gøre, at oxygenmætningen i blodet falder dramatisk, og man kan risikere besvimelse og hjertestop, med mulig fatalt resultat. ADVARSEL! Helium i "industriel" kvalitet, for eksempel fra heliumballoner, kan også indeholde andre gasser der er knap så harmløse som helium.
Helium er det næst-letteste grundstof, og det næst-hyppigste (efterbrint) i det observerbareunivers. Helium er et af nogle få grundstoffer man mener blev skabt "sammen med" Universet i det såkaldteBig Bang, men siden da er der også skabt "nyt" helium vedfusion af brint i det indre afstjerner (stjerne-nukleosyntese). PåJorden er helium relativt sjældent, men skabes løbende i naturen vedalfa-henfald af visseradioaktive grundstoffer;alfapartikler er blot et andet "navn" for helium-atomkerner. Denne naturlige helium "fanges" i de samme hulrum hvor man finder naturgas, somme tider ikoncentrationer op til syvprocent, målt pårumfang. Herfra udvindes det vedfraktionsdestillation ved lave temperaturer.
Universets første molekyle, heliumhydrid HeH, er konstateret i enstjernetåge.[1]
Under så godt som alle forhold er helium det mindst kemisk reaktive af samtlige stoffer. De meget lette heliumatomer giver stoffet størrevarmeledningsevne,varmefylde oglydhastighed end alle andre grundstoffer, med undtagelse af brint. Af samme grund er heliums evne til atdiffundere igennemfaste stoffer tre gange større end foratmosfærisk luft, og omkring 65 procent af brints diffusionsevne.[2]
Helium er mindreopløseligt ivand end alle andre kendte gasser[3] og har det lavestebrydningsindeks (tæt på 1) af alle gasser[kilde mangler]. Ved normale "stuetemperaturer" har helium en negativJoule-Thomson-koefficient, hvilket vil sige at gassen bliver varmere når den "får lov" til at ekspandere uhindret. Først ved temperaurer under den såkaldteJoule-Thomson-inversionstemperatur (som for helium er mellem 32 og 50K ved 1atmosfæres tryk) afkøles gassen ved uhindret ekspansion[4] Når helium først er nedkølet til under denne grænse, kan det bringes på flydende form ved ekspansionskøling.
Helium-udladningsrør formet som detkemiske symbol for helium
Overalt i Universet finder man hovedsageligt helium i form afplasma, som opfører sig ganske anderledes end atomar, gasformig helium: I plasmatilstanden erelektroner og atomkerner ikke længere bundet til hinanden, hvilket gør plasmaet stærktelektrisk ledende, også når stoffet kun er delvis ioniseret. Plasmaetselektrisk ladede bestanddele påvirkes modsat almindelig heliumgas afmagnetiske ogelektriske felter:Solvinden, som består af brint- og helium-plasma, vekselvirker med Jordensmagnetosfære og skaber dervedBirkeland-strømme ogpolarlys.
Helium kan kun bringes på fast form under stort tryk (26 atmosfære) og temperaturer nær detabsolutte nulpunkt[5]: I denne tilstand optræder helium som en farveløs, næsten usynlig substans, som kan komprimeres: I laboratorier er det lykkedes at "mase" denne "frosne" helium sammen til 30% under prøvens oprindelige rumfang[6]. Med etkompressibilitetsmodul af størrelsesordenen 5·107Pa[7] overgår det vands kompressibilitet 50 gange.
Helium er det eneste grundstof der ikke kan bringes på fast stof ved normalt tryk; selv ved det absolutte nulpunkt forbliver helium flydende ved normalt atmosfærisk tryk. Dette er en direkte konsekvens afkvantemekanikken; heliumatometsnulpunktsenergi er for høj til at "fryse"; ved 1K kræves et tryk på omkring 25 atmosfære (2,5MPa)[8]. Ofte er det svært at få øje på eventuel helium-"is" hvis det udfældes af flydende helium, fordi flydende og fast helium har næsten samme brydningsindeks. Det faste helium har et veldefineret smeltepunkt, og en krystallinsk struktur.
Helium laser
Fast helium har enmassefylde på 0,214±0,006g/ml (1,15K, 66atm), og enisotermisk kompressibilitet (ved 66 atmosfæres tryk og 1,5K temperaturforskel mellem det frosne helium og den omgivende luft) på 0.0031±0.0008/atm. Dertil har man opdaget at der ikke er forskel i massefylden ved henholdsvis 1,8K og 1,5K; det tyder på at fast helium ved det absolutte nulpunkt og 25atmosfæres tryk (det laveste tryk fast helium kan eksistere ved) må have en massefylde på 0,187±0,009g/ml.[9]
Ved temperaturer under kogepunktet på 4,22 K, og over det såkaldtelambdapunkt ved 2,1768K optræderisotopen helium-4 som en almindelig, farveløs væske, der kaldeshelium-I.[4]: Som andre kryogene væsker begynder helium-I at koge når det varmes op. Og det trækker sig sammen når temperaturen sænkes – indtil føromtalte lambdapunkt nås: Her holder væsken op med at koge, og begynder i stedet pludselig at udvide sig. Udvidelses-takten falder gradvist med temperaturen, og ved cirka 1 K begynder væsken atter at trække sig sammen.
Det flydende helium I har et meget lavt brydningsindeks på 1,026; det er ellers kun gasarter der har så lave brydningsindicer. Modsat hvad man kender fra vand og andre mere "dagligdags" væsker"brydes" lyset næsten ikke i flydende helium I, så denne væske er næsten helt usynlig! Af den grund bruger man ofte at lade små stykkerflamingo-plast flyde rundt på heliummet som en synlig markering af væskeoverfladen.[10] Helium-I har en meget lavviskositet, og en massefylde på blot en ottendedel af vands; fire gange mindre end hvad man skulle forvente ifølge denklassiske fysik.[10] Først medKvantemekanikken kunne man forklare denne egenskab, og af den grund omtales både helium-I og -II (se nedenfor) somkvantevæsker: Sådanne væsker udviser atomare egenskaber på en makroskopisk skala. formentlig fordi stoffets lave kogepunkt forhindre tilfældige termodynamiske bevægelser (varme) i at maskere eller "overdøve" de atomare egenskaber.[10]
Ved temperaturer under lambdapunktet antager flydende helium en tilstand, kaldethelium-II, hvor stoffet udviser nogle ganske usædvanlige egenskaber. På grund af stoffets højevarmeledningsevne koger det ikke på normal vis når det varmes op; væskenfordamper bare direkte fra overfladen, uden de bobler og bevægelser man normalt ser i kogende væsker. Isotopen helium-3 kan desuden antage ensuperflydende tilstand, men kun ved meget lave temperaturer; af den grund ved man ikke meget om disse egenskaber for helium-3-isotopens vedkommende.[4]
Helium II "kryber" op og ned ad lodrette beholdervægge for at udligne niveauforskelle i væsken; efter nogen tid står væsken lige højt i den lille "skål" i midten og i beholderen der omgiver den. Denne såkaldteRollin-film dækker også indersiden af den ydre beholder; hvis beholderen ikke var tæt, ville helium II "kravle ud" gennem utætheden.[4]
Helium II ersuperflydende; en særlig kvantemekanisk tilstand som stoffet kan indtage, hvorunder det udviser sære egenskaber: For eksempel kan det "sive" igennem sprækker helt ned mellem 0,1 og 0,01mikrometer helt uden målelig viskositet ("modstand").[5] Til gengæld, da man målte viskositeten for helium II mellem to roterende skiver, registreredes en viskositet svarende til gasformig helium. De aktuelle teorier forsøger at forklare dette med den såkaldteto-væske-model for helium II, hvor en del af væsken befinder sig under lambdapunktet i engrundtilstand, og udviser helt præcist nul viskositet, mens resten af væsken ligger over lambdapunktet i en exciteret tilstand, og udviser mere "normale" væske-egenskaber.[11]
Helium II har en særlig evne til at "krybe" langs overflader; hvis helium II-væsken møder en overflade der strækker sig længere end væsken, dannes en 30nanometer tyk "film" af væske (uanset hvilket materiale overfladen er lavet af), som bevæger sig langs overfladen. Denne væskefilm kan endda "kravle op" ad lodrette flader, og hvis den finder en åbning i beholderen, forlader væsken beholderen ad den vej. Denne væskefilm kaldes forRollin-film, opkaldt efter Bernard V. Rollin, som var den første der beskrev denne sære egenskab.[12][13][14] Helium II's evne til at "krybe" og trænge igennem ganske smalle sprækker gør det svært at "holde" på stoffet; det stiller særlige krav til de anvendte beholdere hvis ikke heliummet skal sive ud og fordampe.
Ligesom man kan lave bølger i overfladen af vand der står i et tyndt lag i et flad fad eller lignende, kan man lave overfladebølger i den Rollin-film som helium II danner, men hvor bølgerne i vand-"filmen" styres aftyngdekraften, er detVan der Waals-kræfter der står bag tilsvarende bølger i en Rollin-film af helium II.[15] Disse bølger omtales som dentredje lyd.[16]
Et andet specielt fænomen ved det superflydende helium II er den såkaldtefontæne-effekt, hvor en beholder står i forbindelse med et reservoir af heliumII gennem en porøs barriere: Det superflydende helium II trænger let gennem barrierens porer, mens ikke-superflydende helium holdes tilbage. Hvis beholderens indre varmes op, skifter det superflydende helium tilstand og mister dets superflydende egenskab. Men da der stadig trænger superflydende helium ind, stiger trykket og presser helium-væsken ud af beholderen i en fontæne.[17]
Helium II overgår alle andre kendte stoffer i varmeledning; det er en million gange bedre varmeleder end helium I, og flere hundrede gange bedre endkobber.[4] Det skyldes at heliummet leder varme ved en særlig kvantemekanisk proces: Hvor de fleste gode varmeledere normalt har etvalensbånd af frieelektroner der står for varmetransporten, har helium slet ikke sådan et valensbånd. Her sker varmeoverførslen i stedet på en måde der minder omlydbølger iluft; når man tilfører varme til helium II, udbreder temperaturstigningen (ved 1,8 K) sig med 20meter i sekundet, i et bølgefænomen der kaldes for denanden lyd.[12]
Helium er den foretrukne gasart tilluftskibe som dette fra virksomhedenGoodyear, frem for isærbrint, på grund af gassens lave massefylde og manglende evne til at brænde.
Helium bruges til en lang række formål. Flydende helium leveres kommercielt i særlige varmeisolerende "termokander" kaldet dewar-kar der rummer op til 1000liter, eller i store ISO-beholdere med nominelle kapaciteter op til 11.000US gallons. Mindre mængder gasformig helium fås i cylindriske trykbeholdere med indtil 300 standard-kubikfod, eller fra tankvogne der kan rumme op til 180.000 standard-kubikfod.
Da helium er "lettere", dvs. har en lavere massefylde end luft, bruges det til at fyldeluftskibe ogballoner for at få dem til at stige til vejrs. Selv om Brint har en endnu lavere massefylde, foretrækker man alligevel helium, da denne gas modsat brint hverken er brændbar eller giftig.[18]
Veddykning på store dybde indånder dykkerne ofte specielle luftblandinger somtrimix,heliox ogheliair, der indeholder helium som "stedfortræder" for detkvælstof der ved det høje tryk ellers ville føre tilnitrogennarkose.[19][20] Ved dybder på mere end 150meter bruger man en ilt-helium-blanding tilsat små mængder brint for at modvirke HPNS (high pressure nervous syndrome)[21]. Ved disse dyber har man opdaget, at heliummets lave massefylde letter vejrtrækningen betydeligt.[22]
Flydende helium bruges til at nedkøle vissemetaller til de ekstremt lave temperaturer der fremkaldersuperledning i disse metaller: Det udnyttes bl.a. i desuperledende magneter der bruges i f.eks.MRI-scannere. ICERNsLarge Hadron Collider bruges 96 tons flydende helium til at holde superledende magneter ved en temperatur af 1,9 Kelvin.[23] Helium bliver også brugt vedkryogen frysning.
Gasformig helium benyttes som kølemiddel i visse typer gaskøledeatomreaktorer, fordi det kemisk ikke-reaktive helium dels har en høj varmeledningsevne, dels er let gennemtrængeligt forneutroner, og dertil ikke kan danneradioaktiveisotoper under de betingelser der hersker i disse reaktortyper.[24]
Heliums høje varmeledningsevne og lydhastighed er også en fordel itermoakustisk køling. Heliums manglende evne til at indgå kemiske forbindelser giver denne kølingsmetode en miljømæssig fordel overfor konventionelle kølesystemer, hvis kølemidler kan bidrage tilglobal opvarmning og nedbrydeozonlaget.[kilde mangler]
Visse industrielle processer, for eksempellysbuesvejsning, dyrkning afkrystaller afsilicium oggermanium samt forarbejdningen aftitan ogzirconium, "forstyrres" af tilstedeværelsen af det ilt eller kvælstof der findes i den atmosfæriskeluft. For at undgå dette, benyttes det kemisk ureaktive helium i visse situationer som en "beskyttelsesgas", der fortrænger den atmosfæriske luft omkring arbejdsprocessen.[5]
Tilgaskromatografi benyttes det kemisk ureaktive helium som "bæregas" til at føre den analyserede prøve gennem gaskromatografens kolonne: Modsat prøvens bestanddele påvirker heliummet ikke de sensorer der skal registrere bestanddelene. Helium er desuden egnet til brug som beskyttende atmosfære omkring gamle historiske dokumenter, da det modsat atmosfærisk luft ikke får papir til at gulne.[25]
I forbindelse medraketter til flydende brændstof bruges helium som "fyldegas" i rakettens tanke for brændstof og iltningsmiddel, efterhånden som tankene tømmes, samt til at "fortrænge" dampe af disse stoffer i serviceudstyr ved rakettens afskydningsrampe. Dertil benyttes helium som kølemiddel i fremstillingen af det flydendeilt og brint der bruges i visse typer raketmotorer. Eksempelvis krævede deSaturn V-raketter der blev benyttet tilApollo-programmet omkring 13 millioner kubikfod (370.000 m³) helium i forbindelse med opsendelsen.[6]
Klippemateriale der indeholder de radioaktive grundstofferuran ogthorium, kan aldersbestemmes ved at måle materialets indhold a helium; en metode der kaldesheliumdatering.[4][5]
Heliums evne til at trænge gennem faste stoffer udnyttes til sporing af lækager i udstyr, der skal opretholde et kraftigtvakuum eller højttryk[24]
I refraktor-teleskoper fyldes hulrummet mellemlinserne undertiden med helium, hvis meget lavebrydningsindeks reducerer de forstyrrende effekter af temperaturvariationer.[4] Det bruges især i teleskoper til solobservation, som ville blive for tunge hvis de skulle bygges til at opretholde et vakuum.[26]
Da helium er lettere end den atmosfæriske luft, udbredes lyden også hurtigere i denne gas. Det bevirker, at når man indånder helium, ændres klangen (ikke tonehøjden[27]) af ensstemme. Det bør dog frarådes at gøre dette med "industriel" helium, da dette kan indeholde spor af andre gasser samt dråber af smøreolie. Og selv det pureste helium fortrænger stadig den livsnødvendige ilt, med risiko for kvælning til følge.
Den26 marts1895 lykkedes det den britiske kemikerWilliam Ramsay at udvinde helium på Jorden ved at behandlemineraletcleveit (en variant afuraninitmed mindst 10%sjældne jordartsmetaller) med uorganiskesyrer. Ramsay ledte egentlig efterargon, men efter at have fjernetkvælstof ogilt fra den gas som kom af at behandle mineralprøverne medsvovlsyre, gav den tilbageværende gas en klar gul spektrallinje der passede med den D3-linje man havde observeret i Solens lys.[30][31][32][33] Denne gas-"rest" blev identificeret som helium af Lockyer og den britiskefysikerWilliam Crookes. Uafhængigt af Lockyer formåede også kemikernePer Teodor Cleve ogAbraham Langlet iUppsala isverige samme år at isolere prøver af helium. Langlet fremstillede tilstrækkelige mængder til at kunne bestemme gassensatomvægt.[5] Også denamerikanskegeokemikerWilliam Francis Hillebrand var "på sporet" af helium, endda før Ramsays opdagelse: Han havde observeret nogle usædvanlige spektrallinjer under sine undersøgelser af uraninit, men han antog at de stammede fra kvælstof. Hans lykønskningsbrev til Ramsay er et interessant eksempel på videnskabelige opdagelser og "næsten-opdagelser".[34]
I1907 påvisteErnest Rutherford ogThomas Royds, atalfapartikler er atomkerner af helium: De havde ladet partikelstrålingen trænge ind i en tyndvægget, lufttom glasbeholder, og derefter undersøgt den "indfangede" gas' spektrum ved at sende en elektrisk udladning gennem røret.Året efter lykkedes det denhollandske fysikerHeike Kamerlingh Onnes at kondensere helium til en væske for første gang, ved at nedkøle gassen til under én kelvin.[35] Han forsøgte at bringe det på fast form ved at reducere temperaturen yderligere, men det lykkedes ikke, fordi helium ikke har entripelpunkt temperatur, hvor de faste, flydende og luftformige faser er i ligevægt. Det blev først bragt på fast form i 1926 af hans studerendeWillem Hendrik Keesom ved at udsætte helium for 25atmosfæres tryk.[36]
I1903 var en olieboring iDexter, Kansas i USA begyndt at udspy en gas, der ikke kunne brænde. Kansas' statsgeologErasmus Haworth udtog prøver af gassen, som blev bragt tilbage til universitetet i Kansas ved Lawrence, hvor han sammen med kemikerneHamilton Cady ogDavid McFarland, konstaterede, at gassen bestod af 72% nitrogen, 15%methan (ikke nok til at kunne brænde), 1% hydrogen, og 12% uidentificerede gasarter (alle %vol.).[5] Yderligere undersøgelser påviste at 1,84% af gassen var helium.[39][40] Den hidtil så "sjældne" helium var tilgængelige i store mængder i USAs undergrund, og kunne skilles ud fra naturgas.[41]
Under 1. verdenskrig var udvindings-teknikken med kondensation af gassen ved lave temperaturer ikke var tilstrækkelig udviklet til at bidrage væsentligt til produktionen, som dog fortsatte. Gassen blev primært brugt i luftskibe og andreaerostater, og efterspørgslen til denne formål steg under2. verdenskrig, hvor helium blev brugt til afskærmning under lysbuesvejsning. Helium spillede også en afgørende rolle vedManhattan Project, som udviklede USA's førsteatombombe.
USA's regering oprettede i1925 den såkaldteNational Helium Reserve vedAmarillo iTexas, for at kunne forsyne militære luftskibe under krigstid, og deres civile, kommercielle modstykker i fredstid.[4] På grund af en amerikansk embargo mod salg af helium tilTyskland, måtteHindenburg benytte den brandfarligebrint som løftegas. Efter 2. verdenskrig faldt forbruget af helium, men man forøgede beholdingerne af gassen op gennem1950'erne for at have kølemiddel til udvinding af ilt og brint til brug somraketbrændstof til såvel militære raketter underden kolde krig, som civile rumraketter underrumkapløbet. I1965 var USA's heliumforbrug otte gange så højt som under krigen.
Ved en lovændring i 1960 indførte USA ethelium conservation-program, hvorunder fem private fabrikker udvandt helium af naturgas, og sendte det via en 684kilometer lang til formålet anlagt rørledning, til det statsejede og delvis udtømte gasfelt Cliffside nær Amarillo i Texas. Den udvundne helium/kvælstofblanding blev pumpet ind og opbevaret i Cliffside, og skulle så separeres i rene gasser når der var brug for det.
I1995 havde man på denne måde opmagasineret en millard kubikmeter gas, men anlægget stod med en gæld på 1,4 milliarderamerikanske dollar, hvorforUSA's Kongres i1996 vedtog at udfase heliumreserve-projektet.[5][18] Ifølge den vedtagne "Helium Privatization Act of 1996"[43] skal USA's indenrigsministerium likvidere anlægget og reserven i 2005.[44]
Helium fremstillet før1945 havde en renhed på cirka 98% (mens de sidste 2% udgjordes af kvælstof), hvilket var tilstrækkelig rent til brug i luftskibe. På den tid fremstilledes små mængder 99.9% ren helium til svejseformål, men i1949 fremstillede man 99,995% ren "grade A" helium i kommerciel skala.[kilde mangler]
I mange år stod USA for over 90% af verdens kommercielle helium-produktion – resten blev udvundet på anlæg iCanada,Polen,Rusland og andre lande. I midten af 1990'erne begyndte et nyt udvindingsanlæg i Arzew iAlgeriet at producere 17 millioner kubikmeter helium; nok til at dække heleEuropas forbrug. I 2004-2006 blev der bygget to nye anlæg op i Ras Laffen iQatar og Skikda i Algeriet. Algeriet er hurtigt blevet verdens næststørste heliumleverandør.[45]
Helium er det næstmest udbredte grundstof i det observerbare Univers, efter brint: Målt på vægt udgør helium 23% af alt stof i Universet.[5] Det er koncentreret istjerner, hvor det dannes vedfusion af brint underproton-proton-kædereaktionen ogkulstof-kvælstof-ilt-kredsprocessen. IfølgeBig Bang-teorien for Universets tidlige udviklingsstadier, blev det meste af Universets indhold af helium skabt vedBig Bang-nukleosyntese i tiden mellem ét og treminutter efter Big Bang. Af den grund bidrager målinger af heliums udbredelse i Universet tilkosmologiens teorier og modeller.[46]
IJordens atmosfære findes blot 5,2parts per million helium, målt på rumfang.[47] Denne lave koncentration er nogenlunde konstant over hele kloden, til trods for at der hele tiden skabes ny helium, fordi de lette heliumatomer "siver ud" af atmosfæren og ud i rummet, hjulpet på vej af flere forskellige processer.[48][49] Iheterosfæren, som er en del af den ydre atmosfære, udgøres den tynde luft hyppigst af helium og andre lette gasarter.
Så godt som al helium på Jorden er dannet som et resultat afradioaktivt henfald: Grundstofferne uran og thorium er radioaktive og udsender alfa-stråling, som ret bese er heliumkerner der er "brækket af" de store uran- og thorium-atomkerner. Af den grund afgiver især uran- og thoriumholdige mineraler somcleveit,begblende,carnotit ogmonazit, hele tiden helt ioniserede heliumatomer, som dog hurtigt går i forbindelse med to elektroner og bliver til neutrale heliumatomer. Det formodes at hele Jordskorpen på denne måde producerer 3000 tons helium om året.[50] Jordskorpen har et helium-indhold på 8 parts per billion ("milliard-dele"; 10−9), mens havvand kun indeholder 4 parts pertrillion ("billiontedele"; 10−12. Også kildevand, vulkansk gas og jern fra meteoritter indeholder ganske små mængder helium.[51] De største koncentrationer af helium på Jorden er de føromtalte naturgasfelter, der som nævnt er den primære kilde til kommerciel udvinding[50][52][53]
Helium udvindes på industriel skala ved atdestillere naturgas, som sine steder indeholder op imod syv procent helium:[54] Gassen køles ned til lave temperaturer mens den holdes ved et højt tryk, og da helium har det laveste kogepunkt, vil man ved et vist punkt have kondenseret alle andre bestanddele (hovedsagelig kvælstof ogmetan) til en væske. Den resulterende "rå" helium indeholder stadig små mængder urenheder, som derefter fjernes ved yderligere, trinvise nedkølinger. Efter en endelig filtrering gennem aktivt kulstøv har man 99,995% rent, såkaldt "Grade-A"-helium.[55] Den sidste rest urenheder i dette Grade-A-helium erneon. Det "færdige" helium fortættes til flydende form adkryoteknisk vej, dels fordi der til mange formål kræves flydende frem for luftformig helium, og dels for at reducere transportomkostningerne – de største beholdere til flydende helium rummer fem gange så meget som tilsvarende beholdere til luftformig helium.[45][56] I 2005 blev omkring 160 millioner kubikmeter helium enten udvundet fra naturgas, eller hentet fra lageranlæg. I USA hentes det meste helium fra naturgasfelter i Kansas, Oklahoma og Texas.[45]
En anden metode til udvinding og oprensning af helium, er at lade "rå" naturgasdiffundere gennem særlige membraner.[57]. Dertil kan helium syntetiseres ved at bombarderelithium ellerbor medprotoner med højfart, men denne produktionsform er ikke økonomisk rentabel.
Der findes otte kendteisotoper af helium, men kunhelium-3 oghelium-4 erstabile. Ijordens atmosfære, er der et He-3-atom for hver en million He-4-atommer.[5] Til forskel fra de fleste grundstoffer varierer heliums isotopiske indhold meget efter oprindelse, på grund af de forskellige dannelsesprocesser. Den mest almindelige isotop, helium-4, bliver produceret på jorden vedalfastråling fra meget radioaktive grundstoffer; alfastrålingen består af fuldt ioniseret helium-4 kerner. Helium-4 er en usædvanlig stabil kerne, fordi densnukleoner er arranceret ikomplette skaller. Det blev også formet i enorme mængder underBig Bang-nukleosyntese.[46]
Helium-3 findes kun i ganske små men sporbare mængder på Jorden: Det meste har været der siden Jordens dannelse, men dertil modtager vores planet også en smule helium-3 der er bundet i det kosmiske støv der til stadighed falder ind i atmosfæren.[58] Dertil skabes der små mængder vedbetahenfald aftritium.[59] I klippemateriale fra Jordens skorpe varierer heliumisotop-sammensætningen med op mod faktor 10, og disse variationer kan bruges til at undersøge klippematerialets oprindelsessted og jordskorpens sammensætning.[58] I stjerner findes langt større mængder helium-3, fordi det her skabes som et produkt af fusionsprocesser. Af den grund er forekomsten af helium-3 i det interstellare gas cirka hundrede gange højere end på Jorden.[60] "Udenjordisk" materiale, som for eksempel stenprøver fraMånen og fraasteroider, indeholder helium-3 der er dannet ved at materialet er blevet "bombarderet" afsolvindens partikler. I Månens overflademateriale er koncentrationen af helium-3 af størrelsesordenen 0.01 parts per million.[61][62] Forskellige personer, medGerald Kulcinski som den første i1986,[63] har foreslået at udforske Månens forekomster af helium-3, med henblik på at udvinde stoffet og anvende det som "brændstof" ifusionsenergi-produktion.
Flydende helium-4 kan køles ned til cirka 1 kelvin vedfordampningskøling, mens helium-3, med dets lavere kogepunkt, kan nå ned på cirka 0,2 kelvin. En ligelig blanding af helium-3 og -4 vil skille ud til to ikke-blandbare væsker når temperaturen når ned under 0,8 kelvin: De to væsker følger hver deres kvantestatistik (helium-4-atomer er bosoner mens helium-3-atoms erfermioner), og det giver dem forskellige egenskaber, at de "skyer hinanden" omtrent som vand og olie.[64] Den såkaldtefortyndingskøling udnytter denne "uforlignelighed" til at nå ned på temperaturer på nogle få tusindedele kelvin.
Ud over helium-3 og -4 har man påvist en række eksotiske heliumisotoper, som dog hurtigt henfalder til andre stoffer. Den mest kortlivede tunge heliumisotop er helium-5 med enhalveringstid på 7,6·10−22 sekunder. Helium-6 henfalder med enbetapartikel, og har en halveringstid på 0,8 sekunder. Ligeledes undergår helium-7 betahenfald, og udsender desudengammastråling. Helium-7 and helium-8 er såkaldte hyperfragmenter, som dannes ved visse kernereaktioner.[65] Helium-6 og helium-8 udviser ennuklear halo. Helium-2 (med to protoner men ingen neutroner) er radioaktiv, og henfalder ved at deles i to enkeltstående protoner (brintkerner), med en halveringstid på 3·10−27 sekunder.[64]
Neutral helium ved standardatmosfæriske forhold er ugiftigt, og spiller ingen rolle for levende organismer, men findes dog i små mængder i menneskeligt blod. Ved højt tryk (over cirka 20 atmosfære eller 2MPa) giver en blanding af helium og ilt (heliox) anledning til HPNS (high pressure nervous syndrome), en slags "omvendt anæstesi"-effekt. Dette problem kan afhjælpes ved at tilsætte små mængder kvælstof i luftblandingen.[66] Beholdere med gasformig helium ved mellem 5 og 10 kelvin bør håndteres som om de indeholdt flydende helium, på grund af den kraftigetermiske ekspansion der optræder, når helium ved under 10 K varmes op tilstuetemperatur.[6]
Stemmen hos en person der har indåndet helium vil for en kort periode have en ændret klang: Det skyldes atlydens hastighed i helium er næsten tre gange højere end i atmosfærisk luft, og da grundfrekvensen for et gasfyld hulrum er proportional med lydhastigheden, påvirker tilstedeværelsen af helium stemmens klang.[5] (Den modsatte effekt, dybere stemmeklang, kan opnås ved at indhaleresvovlhexafluorid)
Selv om helium er kemisk ureaktivt og derfor ugiftigt, fortrænger det stadig den livsnødvendige ilt: Fortsat inhalering af helium gennem nogle minutter kan medføre kvælningsdøden. I de fleste pattedyr reguleres åndedrætsrefleksen af mængden afkuldioxid, ikke af fraværet af ilt. Af den grund "opdager" kroppen ikke at den er ved at blive kvalt; man føler sig ikke "stakåndet". Indånding af helium direkte fra en trykflaske er ekstremt farligt, da disse beholdere hurtigt kan afgive store mængder gas og sprænge lungevævet med døden til følge.[67]
Undtagen under ekstreme betingelser er helium helt ureaktivt, og har valenstal 0.[68] Gassen er enelektrisk isolator med mindre den ioniseres. Som de øvrige ædelgasser har helium et metastabilt energiniveau, som tillader det at forblive ioniseret i en elektrisk udladning vedspændinger under detsioniseringspotentiale.[4] Helium kan danne ustabile kemiske forbindelser medwolfram,jod,fluor,svovl ogfosfor når stofferne forefindes som etplasma. På denne måde er det lykkedes at skabe HeNe, HgHe10, WHe2 samt de molekylære ioner He2+, He22+,HeH+, and HeD+.[69] Man har også skabt det neutrale helium-molekyle He2, som har et stort antalspektralbånd, samt HgHe, der tilsyneladende kun holdes sammen af polarisationskræfter.[2] I teorien skulle også andre kemiske forbindelser være muligt, herunder heliumfluorhydrid (HHeF), analogt til detHArF der blev opdaget i2000.[70]
Under højt tryk og temperatur er der lykkedes at "presse" heliumatomer ind iBuckminsterfulleren; et rundt "bur" opbygget af 60kulstof-atomer: Disse kulstofmolekyler er i stand til at fastholde heliumatomet, selv ved høje temperaturer, og selv om kulstofmolekylet danner kemiske derivater.[71] Er heliumatomet af isotopen helium-3, kan det nemt "afsløres" ved NMR-spectroscopy.[72] Man har påvist mange sådanne fullerener med "indespærrede" helium-3-atomer: Selv om heliumatomerne ikke er bundet hverken kovalent eller ved ionbindinger til de omgivende atomer, har sådanne fullerener med helium deres egne distinkte egenskaber, og en utvetydig sammensætning som alle andre støkiometriske kemiske forbindelser.
12The Encyclopedia of the Chemical Elements, edited by Cifford A. Hampel, "Helium" entry by L. W. Brandt (New York; Reinhold Book Corporation; 1968; page 261) Library of Congress Catalog Card Number: 68-29938
↑C. Malinowska-Adamska, P. Soma, J. Tomaszewski (2003). "Dynamic and thermodynamic properties of solid helium in the reduced all-neighbours approximation of the self-consistent phonon theory".physica status solidi (b).240 (1): 55-67.doi:10.1002/pssb.200301871.ISSN0370-1972.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Flere navne: authors list (link)
↑"Solid Helium". Department of PhysicsUniversity of Alberta. 2005-10-05. Arkiveret fra originalen den 5. november 2008. Hentet 6. juli 2008.{{cite web}}: CS1-vedligeholdelse: BOT: original-url status ukendt (link)
↑D. G. Henshaw (1958). "Structure of Solid Helium by Neutron Diffraction".Physical Review Letters.109 (2): 328-330.doi:10.1103/PhysRev.109.328.
123The Encyclopedia of the Chemical Elements, page 262
↑Butcher, Scott J.; Jones, Richard L.; Mayne, Jonathan R.; Hartley, Timothy C.; Petersen, Stewart R. (december 2007). "Impaired exercise ventilatory mechanics with the self-contained breathing apparatus are improved with heliox".European Journal of Applied Physiology. Netherlands: Springer.101 (6): 659(11).doi:10.1007/s00421-007-0541-5.
12Considine, Glenn D., red. (2005), "Francium",Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry, New York: Wylie-Interscience, s.764-765,ISBN0-471-61525-0
↑I E Beckwith and C G Miller (1990). "Aerothermodynamics and Transition in High-Speed Wind Tunnels at Nasa Langley".Annual Review of Fluid Mechanics.22: 419-439.doi:10.1146/annurev.fl.22.010190.002223.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Bruger authors parameter (link)
↑H. Jakobsson (1997). "Simulations of the dynamics of the Large Earth-based Solar Telescope".Astronomical & Astrophysical Transactions.13 (1): 35-46.doi:10.1080/10556799708208113.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Bruger authors parameter (link)
↑The Encyclopedia of the Chemical Elements, page 256
↑Oxford English Dictionary (1989), "helium", 16. december 2006, fra Oxford English Dictionary Online. Også, per citat deri: Thomson, W. (1872).Rep. Brit. Assoc. xcix: "Frankland and Lockyer find the yellow prominences to give a very decided bright line not far from D, but hitherto not identified with any terrestrial flame. It seems to indicate a new substance, which they propose to call Helium."
12The Encyclopedia of the Chemical Elements, page 257
↑William Ramsay (1895). "On a Gas Showing the Spectrum of Helium, the Reputed Cause of D3 , One of the Lines in the Coronal Spectrum. Preliminary Note".Proceedings of the Royal Society of London.58: 65-67.doi:10.1098/rspl.1895.0006.
↑William Ramsay (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I".Proceedings of the Royal Society of London.58: 80-89.doi:10.1098/rspl.1895.0010.
↑William Ramsay (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II--".Proceedings of the Royal Society of London.59: 325-330.doi:10.1098/rspl.1895.0097.
↑Pat Munday (1999). Biographical entry for W.F. Hillebrand (1853–1925), geochemist and US Bureau of Standards administrator inAmerican National Biography, ed. John A. Garraty and Mark C. Carnes, 24 vols. (Oxford University Press: 1999): v. 10, pp. 808–9; v. 11, pp. 227-8.
↑D. D. Osheroff, R. C. Richardson, and D. M. Lee (1972). "Evidence for a New Phase of Solid He3".Phys. Rev. Lett.28 (14): 885-888.doi:10.1103/PhysRevLett.28.885.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Flere navne: authors list (link)
↑Eugene M. Emme, comp., red. (1961)."Aeronautics and Astronautics Chronology, 1920–1924".Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915–1960. Washington, DC:NASA. s.11-19. Arkiveret fraoriginalen 14. juli 2019. Hentet2007-01-05.
↑P. Morrison, J. Pine (1955). "Radiogenic Origin of the Helium Isotopes in Rock".Annals of the New York Academy of Sciences.62 (3): 71-92.doi:10.1111/j.1749-6632.1955.tb35366.x.
↑The Encyclopedia of the Chemical Elements, page 258
↑Z. Cai, R. Clarke, N. Ward, W. J. Nuttall, B. A. Glowacki."Modelling Helium Markets"(PDF). Arkiveret fraoriginalen(PDF) 25. juni 2008. Hentet 6. juli 2008.{{cite journal}}:Cite journal kræver|journal= (hjælp)CS1-vedligeholdelse: Flere navne: authors list (link)
↑V. P. Belyakov1, S. G. Durgar'yan, B. A. Mirzoyan, N. S. Nametkin1, O. G. Talakin and L. N. Chekalov (1981). "Membrane technology — A new trend in industrial gas separation".Chemical and Petroleum Engineering.17 (1): 19-21.doi:10.1007/BF01245721.{{cite journal}}: CS1-vedligeholdelse: Flere navne: authors list (link)
12Don L. Anderson, G. R. Foulger & Anders Meibom."Helium Fundamentals". mantleplumes.org. Hentet2008-07-23.
↑Hiby, Julius W. (1939). "Massenspektrographische Untersuchungen an Wasserstoff- und Heliumkanalstrahlen (H3+, H2-, HeH+, HeD+, He-)".Annalen der Physik.426 (5): 473-487.doi:10.1002/andp.19394260506.
