هِلیوم یاهلیُم (بهانگلیسی:Helium، بانشان شیمیاییHe) یکعنصر شیمیایی باعدد اتمی ۲ وجرم اتمی ۴٫۰۰۲۶۰۲ است. این عنصر، بی‌بو، بی‌رنگ، بی‌مزه، غیرسمّی و از دیدگاه شیمیایی بی‌اثر وتک اتمی است که درجدول تناوبی در بالای گروهگازهای نجیب جا دارد.[الف]دمای ذوب وجوش این ماده در میان دیگر عنصرها بسیار پایین است، به‌همین دلیل دردمای اتاق و البته در بیشتر موارد به صورت گازی است مگر اینکه تحت شرایط بسیار ویژه‌ای قرار داشته باشد.
واژهٔ هلیوم ازواژهٔ یونانیهلیوس، به معنای «ایزد خورشید» گرفته شده است. زمانی که هنوز هلیوم شناخته نشده بود، ستاره‌شناس فرانسویژول ژانسن در جریانخورشیدگرفتگی سال ۱۸۶۸ برای نخستین بار درطیف‌بینینور خورشید، خط زرد طیفی هلیوم را دید. در جریان همان خورشیدگرفتگی،نورمن لاکیر پیشنهاد کرد این خط زرد می‌تواند به دلیل یک عنصر تازه باشد. دو شیمی‌دان سوئدی با نام‌هایپر تئودر کلیو ونیلز آبراهام لانگلت در سال ۱۸۹۵ این عنصر راشناسایی و اعلام کردند. آنها هلیوم را از سنگکلویت که کانی اورانیوم است، به‌دست آوردند. در سال ۱۹۰۳ منابع بزرگ هلیوم درمیدان‌های گازی ایالات متحده پیدا شد.
هلیوم، بعد ازهیدروژن، هم از نظر سبکی و هم از نظر فراوانی، دومین عنصر کیهان است، گرچه با وجود کاربردهای بسیار مهم و حیاتی که دارد، بر روی زمین بسیار کمیاب است. نزدیک به ۲۴٪ از جرمگیتی، سهم این عنصر است که این مقدار بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصرهای سنگین است. هلیوم به همان صورت که درخورشید ومشتری یافت می‌شود، در جهان پیدا می‌شود و این به دلیلانرژی بستگی (به ازای هرهسته) بسیار بالایهلیوم-۴ نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن، درجدول تناوبی است. بیشتر هلیوم موجود در کیهان،هلیوم-۴ است و گمان می‌رود که در جریانمه‌بانگ پدید آمده باشد. امروزه با کمک واکنش‌هایهمجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها، گونه‌های تازه‌ای از هلیوم ساخته شده است.
هلیوم در هواکُرهٔ زمین بسیار کمیاب است و بیشتر هلیومی که در خاک زمین پیدا می‌شود، در اثرواپاشی هسته‌ای طبیعی در عنصرهای سنگین پرتوزا ماننداورانیوم وتوریوم پدید آمده است؛ به این ترتیب که در اثر واپاشی،ذره‌های بتا از عنصر تابیده شده وهستهٔ هلیوم-۴ به‌دست آمده است. هلیومِ به‌دست آمده از واپاشی، به‌آسانی به صورت فشرده با درصدی نزدیک به ۷٪ حجمی، در دامگاز طبیعی گرفتار می‌شود. سپس می‌توان با روش‌های صنعتی و به صورت تجاری با کاهش دمای آمیختهٔ هلیوم و گاز طبیعی، آن را از دیگر گازها به روشتقطیر جزء به جزء جدا ساخت.
هلیوم در بسیاری از صنایع در سطح جهانی استفاده می‌شود و استفاده از آن در همه زمینه‌های تحقیقات علمی و محیط‌های تجاری، از جملهداروسازی، پزشکی، جوشکاری، علوم رایانه، اکتشافات فضایی وجود دارد. یکی از کاربردهای مهم هلیوم درسرماشناسی است و نزدیک به یک-چهارم هلیوم تولیدی در این زمینه بکار می‌رود. در مواردی که دمای زیر ۲۶۱٫۱- درجه سانتیگراد (۴۲۹- درجه فارنهایت) مورد نیاز باشد هیچ جایگزینی برای آن وجود ندارد. قدرت خنک‌کنندگی هلیوم مایع به این معنی است که این عنصر یک عنصر حیاتی و غیرقابل تعویض در بسیاری از اجزای مهم و مدرن است. عمده‌ترین مصرف‌کنندگان صنعتی جهانی هلیوم مایع، صنایع پزشکی، هوافضا و الکترونیک هستند. صنعت پزشکی بزرگ‌ترین مصرف‌کننده است و عمدتاً از هلیوم برای حفظ خواص ابررسانایی آهن‌ربا در کاربردهایی مانند تصاویر تشدید مغناطیسی (MRI) و تجهیزات طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) استفاده می‌کند.
ویلیام رمزی، کاشف هلیوم بر روی زمیننمونهای از کلویت که رمزی از آن برای تهیه اولین محصول هلیوم خالص، استفاده کرد.[۱۱]
نخستین نشانهٔ هلیوم در ۱۸ اوت سال ۱۸۶۸ به صورت یک میلهٔزرد رنگ درطول موج ۵۸۷٫۴۹ نانومتر در طیف‌سنجیفام‌سپهر خورشید دیده شد. این خط زرد رنگ را ستاره‌شناس فرانسویژول ژانسن در هنگام یکخورشیدگرفتگی کامل درگونتورهند شناسایی کرد.[۱۲][۱۳] نخست گمان برده شد که شاید این خط زرد،سدیم است. در ۲۰ اکتبر همان سال، ستاره‌شناس انگلیسی،نورمن لاکیر یک خط زرد رنگ در طیف‌سنجی نور خورشید پیدا کرد و چون این خط نزدیک به خط‌های شناخته شدهٔ D۱ و D۲ سدیم بود، آن را D۳خط‌های فرانهوفر نامید.[۱۴] او حدس زد که این خط باید توسط یک عنصر درون خورشید که در زمین ناشناخته است، پدید آمده باشد. لاکیر و شیمی‌دان انگلیسیادوارد فرانکلند واژهٔ یونانیایلیوس[a] (یاهلیوس) به معنی «خورشید» را برای این عنصر برگزیدند.[۱۵][۱۶]در ۱۸۸۱، فیزیکدان ایتالیایی،لوئیجی پالمیری، هنگامی که خط‌های طیفی D۳گدازه‌های آتشفشانوزوو را پردازش می‌کرد توانست برای نخستین بار هلیوم را در زمین شناسایی کند.[۱۷]
در ۲۶ مارس ۱۸۹۵ شیمی‌دان اسکاتلندیویلیام رمزی توانست، هلیوم کانیکلویت را با کمکاسیدهای معدنی به دام اندازد. کلویت، آمیخته‌ای ازاورانینیت و دست کم ۱۰٪عنصرهای خاکی کمیاب است. رمزی در جستجویآرگون بود، اما پس از جداسازینیتروژن واکسیژن از گاز آزاد شده با کمکاسید سولفوریک، در طیف‌سنجی خود به یک خط زرد روشن رسید که با خط D۳ دیده شده در طیف‌سنجی خورشید هماهنگ بود.[۱۴][۱۸][۱۹][۲۰] این نمونه‌ها از سوی لاکیر و فیزیکدان بریتانیایی،ویلیام کروکز به عنوان هلیوم شناسایی شد. در همان سال به صورت مستقل، دو شیمی‌دان با نام‌هایپر تئودر کلیو ونیلز آبراهام لانگلت، دراوپسالایسوئد توانستند هلیوم کلویت را به دام اندازند. اندازه گازی که آنها جمع‌آوری کردند، برای اندازه‌گیری دقیقوزن اتمی آن کافی بود.[۱۳][۲۱][۲۲] دانشمند آمریکاییزمین‌شیمی،ویلیام فرانسیس هیله‌براند پیش از دست‌آورد رمزی، هنگام طیف‌سنجی نمونه کانی‌های اورانینیت دریافته بود که خط‌های طیفی غیرمعمولی در نتیجه‌هایش پیدا می‌شود. اما هیلبرند گمان کرد که این خط‌های طیفی مربوط به نیتروژن است. نامهٔ تبریک او به رمزی چیزی نزدیک به یک کشف علمی در نظر گرفته می‌شود.[۲۳]در سال ۱۹۰۷ارنست رادرفورد و توماس رویدز نشان دادند کهذره‌های آلفا همانهستهٔ هلیوم‌اند. آنها برای این کار، اجازه دادند تا ذره‌ها در دیوار شیشه‌ای نازک یک لولهٔ تهی نفوذ کند. سپس لوله را تخلیه کردند تا گاز تازهٔ جمع شده در آن را طیف‌سنجی کنند. در سال ۱۹۰۸ یک فیزیکدان هلندی به نامهایک کامرلینگ اونس توانست دمای هلیوم را به زیر یک کلوین برساند و آن را مایع کند.[۲۴] او در ادامه تلاش کرد تا دمای هلیوم را پایین‌تر آورد و آن را جامد کند، اما کامیاب نشد. دلیل ناکامی او این بود که هلیوم داراینقطهٔ سه‌گانه نیست؛ یعنی دارای دمایی نیست که در آن حالت‌های جامد، مایع و گازی در تعادل باشند. پس از چند سال، در ۱۹۲۶ویلم هندریک کیزوم که دانشجوی اونس بود توانست1 cm۳ هلیوم را با افزودن فشار، جامد کند.[۲۵]
لولهٔ حاوی گاز هلیوم که به شکل نماد شیمیایی این عنصر درآورده شده است.نمودار فازهای هلیوم
هلیوم یک گاز سبک، بی‌بو، بی‌رنگ، بی اثر، بدون سمیت و تک هسته‌ای است که می‌تواندمولکول‌های دواتمی ضعیف و در دمای نزدیک به صفر مطلق ایجاد کند. هلیوم کمترین نقطه ذوب را در بین عناصر دارد و نقطه جوش آن نزدیک به صفر مطلق و گرانرویش ۲۵میکروپواز (آب = ۱۰ هزار) است. برخلاف هر عنصر دیگر، هلیوم جامد نمی‌شود اما تحت فشارهای معمولی به صورت مایع تا صفر مطلق باقی می‌ماند.[۲۸]
در دمای حدود منفی ۲۷۱ درجه سانتیگراد (۴۵۶- درجه فارنهایت)، هلیوم دچار یک تغییر غیرمعمول می‌شود و به صورت یک مایع باقی می‌ماند که دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است. اشکال هلیوم به قدری متفاوت است که به آنها نام‌های مختلفی داده می‌شود. بالاتر از ۲۷۱- درجه سانتیگراد، هلیوم مایع را هلیوم I و زیر آن دما، هلیوم II نامیده می‌شود.[۲۹]از هوا سبک‌تر است. قابل اشتعال نیست و فقط کمی در آب قابل حل است.[۳۰] هلیوم (He۲) با داشتن انحلال‌پذیری ۰٫۰۷۰۷۹۷ مول از هلیوم در هر۵-۱۰ از مجموع مول هلیوم (حل شونده) و آب (حلال)، به‌عنوان یکی از گازهایی شناخته می‌شود که دارای کمترین میزان انحلال در آب است (به‌عنوان مقایسهکسر مولی حلالیت برای گازهای CF۴ و SF۶ و C۴F۸ به ترتیب برابر با ۰٫۳۸۰۲، ۰٫۴۳۹۴ و ۰٫۲۳۷۲ به ازای هر۵-۱۰ مول گاز حل شونده و حلال آب است).[۳۱]از نظر شیمیایی بی‌اثر است. هنگامی که به صورت مایع حمل می‌شود، بسیار سرد است و تمام گازهای دیگر را جامد می‌کند. تماس با مایع باعث یخ زدگی شدید می‌شود. هلیوم مایع دارای خصوصیات ترمودینامیکی منحصر به فردی است ومایع کوانتومی نامیده می‌شود زیرا خصوصیات اتمی را در مقیاس ماکروسکوپی از خود نشان می‌دهد.[۳۲][۳۳]
هلیوم، پس ازنئون، کم واکنش‌ترینگاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همه عنصرهاست.[۳۴] این گاز کم واکنش در همهٔشرایط استاندارد به صورت تک‌اتمی باقی می‌ماند. هلیوم به دلیل داشتنجرم مولی نسبتاً پایین، دارایرسانش گرمایی وظرفیت گرمایی بالایی است وسرعت صدا هم در آن، در حالت گازی، از هر گاز دیگری به جزهیدروژن، بالاتر است. همچنین به دلیل کوچکی اندازهٔ اتم هلیوم، نرخواپخش در اجسام جامد، سه برابر بیشتر از نرخ واپخش هوا و برابر با ۶۵٪ نرخ واپخش هیدروژن است.[۱۴]
ضریب شکست هلیوم بیش از هر گاز دیگری به یک نزدیک است.[۳۵]ضریب ژول-تامسون[b] هلیوم در دمای معمولی پیرامونش، منفی است به این معنی که اگر اجازه دهیم این گاز آزادانه افزایش حجم پیدا کند، گرم‌تر می‌شود. اما اگر هلیوم در زیردمای وارونگی ژول-تامسون[c] (در حدود ۳۲ تا ۵۰ کلوین در یک اتمسفر) باشد، اگر آزادانه افزایش حجم پیدا کند، دمای آن پایین می‌آید. با توجه به این ویژگی اگر دمای هلیوم از این دما پایین‌تر آمده باشد، می‌توان با افزایش حجم، آن را خنک و مایع کرد.[۱۴]
بیشتر هلیوم فرازمینی در حالتپلاسما یافت می‌شود. در این حالت، ویژگی‌های ماده از ویژگی‌های حالت اتمی آن بسیار متفاوت است. در حالت پلاسما، الکترون‌ها دیگر در بند هسته نیستند در نتیجه دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی خواهد بود حتی اگر تنها بخشی از آن یونی شده باشد. ذره‌های باردار به شدت از میدان مغناطیسی و الکتریکی پیرامون تأثیر می‌پذیرند. برای نمونه دربادهای خورشیدی با هیدروژن یونی، ذره‌ها بامغناطیس‌سپهر اندرکنش پیدا می‌کند و باعث پدید آمدنشفق قطبی وجریان برکلند می‌شود.[۳۶]
هلیوم مایع شده. هلیوم به‌تصویر کشیده شده نه تنها مایع است بلکه تا دمایابرشارگی سرد شده است. روان شدن هلیوم از زیر ظرف شیشه‌ای به تصویر کشیده شده، نشان‌دهنده فرار خودبخودی هلیوم تا زمان خالی شدن ظرف است. انرژی پیش‌برنده این اتفاق، از انرژی پتاسیل هلیوم در حال سقوط تأمین می‌شود.
برخلاف دیگر عنصرها، هلیوم در فشار معمولی تا دمایصفر مطلق، مایع باقی می‌ماند. دلیل این پدیده را می‌توان با مکانیک کوانتوم توضیح داد:انرژی نقطهٔ صفر بسیار بالای این سامانه اجازه نمی‌دهد هلیوم جامد شود. هلیوم برای جامد شدن باید به دمایی بین ۱ تا ۱٫۵ کلوین (۴۵۷- فارنهایت یا ۲۷۲- سلسیوس) و فشاری نزدیک به ۲٫۵ مگاپاسکال برسد.[۳۷] معمولاً شناسایی هلیوم جامد از مایع کمی دشوار است؛ چونضریب شکست هر دو بسیار نزدیک است. هلیوم در حالت جامد داراینقطهٔ ذوب دقیق است، ساختاربلوری دارد و بسیارتراکم پذیر است تا حدی که با وارد کردن فشار بر آن می‌توان تا بیش از ۳۰ درصد حجم آن را کاهش داد.[۳۸]مدول حجمی آن نزدیک به ۲۷ مگاپاسکال است؛[۳۹] یعنی تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر از آب تراکم‌پذیر است. چگالی هلیوم جامد در دمای ۱٫۱ کلوین و فشار ۶۶ اتمسفر،۰٫۲۱۴ ± ۰٫۰۰۶ g/cm۳ و در دمای صفر کلوین و فشار ۲۵ بار (۲٫۵ مگاپاسکال)،۰٫۱۸۷ ± ۰٫۰۰۹ g/cm۳ است.[۴۰]
ایزوتوپ هلیوم-۴ به‌صورت یک مایع بی‌رنگ در زیر دمای نقطه جوش در ۴٫۲۲ درجه کلوین و بالاینقطه لاندا در دمای ۲٫۱۷۶۸ درجه کلوین وجود دارد که به آنهلیوم I گفته می‌شود.[۱۴] همانند دیگر مایعات سرمازا،[d] هلیوم I نیز زمانی که گرم شود، به جوش می‌آید و زمانی دمایش کاهش پیدا کند، دچار انقباض می‌شود. در زیر نقطه لاندا، با این‌حال، هلیوم نمی‌جوشد و هرچه دما کاهش پیدا کند، منبسط می‌شود. هلیوم I دارای ضریب شکست برابر با ۱٫۰۲۶ است که موجب می‌شود سطح آن به‌قدری سخت شود که شناورییونولیت بر روی آن ممکن شود و اغلب از این روش، به‌عنوان روشی برای پیدا کردن سطح هلیوم I به‌کار می‌رود.[۱۴]
هلیوم I گران‌روی بسیار کمی دارد و چگالی آن در گستره دمایی صفر تا چهار درجه کلوین بین ۰٫۱۴۵ تا ۰٫۱۲۵ گرم بر میلی‌لیتر است[۴۱] که این مقدار، یک چهارم مقداری است که توسطفیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌شود.[۱۴]برای توضیح این خاصیت هلیوم I، به مکانیک کوانتومی نیاز است و در نتیجه هر دو حالت هلیوم مایع شناخته شده (هلیوم I و هلیوم II)، مایعات کوانتومی نامیده می‌شوند؛ به این معنی که آنها در سطح ماکروسکوپی، خواص اتمی از خود نشان می‌دهند. این موضوع ممکن است به‌خاطر نزدیکی بیش از حد نقطه جوش هلیوم به صفر مطلق باشد که موجب می‌شود جنبش تصادفی مولکولی نتواند بر روی ویژگی اتمی سایه افکند و مانع از بروز آنها شود.[۱۴]
برخلاف مایعات معمولی، هلیوم II، در امتداد سطوح می‌خزد تا به یک تراز یکسان در تمام سطح خود دست پیدا کند. پس از زمان کوتاهی، تراز مایع در هردو سمت محفظه، برابر می‌شود. فیلم رولین همچنین بخش داخلی محفظه بزرگ‌تر را پوشش می‌دهد. اگر محفظه بسته نباشد، هلیوم II از محفظه به بیرون فرار می‌کند.
هلیوم مایع در دمای پایین‌تر از نقطه لاندا هلیوم II نامیده می‌شود، رفتار بسیار عجیب و غیرمعمولی از خود نشان می‌دهد. به‌علت هدایت گرمایی بالا، زمانی‌که به نقطه جوش می‌رسد، به‌جای این که شروع به جوشیدن و تولید حباب کند، مستقیماً از سطح خود تبخیر می‌شود.هلیوم-۳، دارای یک فازابرشارگی اما فقط در دماهای خیلی کمتر است. در نتیجه، اطلاعات کمی در مورد خواص ایزوتوپ شناخته شده است.[۱۴]
هلیوم II یک ابرشاره است؛ حالتی از ماده در مکانیک کوانتومی(برای اطلاعات بیشتر بهپدیده‌های کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی رجوع کنید) که دارای خواص غیرمعمول و عجیبی است. به‌عنوان مثال زمانی که درون یک لوله موئین به ضخامت۷-۱۰ تا۸-۱۰ متر جاری می‌شود، هیچ میزان گران‌روی قابل اندازه‌گیری از خود نشان نمی‌دهد.[۱۳] با این‌حال، موقعی‌که اندازه‌گیری گران‌روی هلیوم قرار گرفته میان دو دیسک متحرک انجام می‌شود، مقدار گران‌روی به‌دست آمده با مقدار گران‌روی برای هلیوم گازی، قابل مقایسه است. با استفاده از مدل دوجریانی[e] برای هلیوم II این پدیده را می‌توان به‌طور نظری توضیح داد. در این مدل، در نظر گرفته می‌شود که هلیوم مایع در زیر نقطه لاندا دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم درحالت پایه است که ابرشاره هستند و دقیقاً با گران‌روی صفر جریان پیدا می‌کنند و همچنین دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم درحالت برانگیخته است که مانند یک سیال معمولی رفتار می‌کنند.[۴۲]
دراثر چشمه،[f][توضیح ۱] محفظه‌ای ساخته می‌شود که به یک مخزن هلیوم II متصل است و از طریق یکدیسک تف‌جوش شده[g] هلیوم ابرشاره به‌آسانی از آن چکیده می‌شود، اما هلیوم غیرشاره نمی‌تواند از آن عبور کند. اگر قسمت داخلی محفظه حرارت داده شود، هلیوم ابرشاره به هلیوم غیرابرشاره تبدیل می‌شود. به‌منظور حفظ کسر تعادل هلیوم ابرشاره، آن را از محفظه عبور داده و فشار افزایش داده می‌شود که موجب ایجاد یک چشمه به سمت بیرون محفظه نگهدارنده می‌شود.[۴۳]
رسانش گرمایی آن بیشتر از هر نوع ماده شناخته شده دیگری است، به‌طوری که مقدار به یک میلیون برابر هدایت گرمایی هلیوم I و چندصد برابر فلزی مانند مس می‌رسد.[۱۴] این ویژگی به این دلیل رخ می‌دهد که هدایت گرمایی از طریق سازوکارهای کوانتومی انجام می‌شود. اغلب موادی که رسانای خوب گرما هستند، دارای یکنوارهای هدایت و ظرفیت از الکترون‌های آزادند که به انتقال گرما کمک می‌کنند. هلیوم II فاقد چنین لایه ظرفیتی است، اما با این‌حال، گرما را به‌خوبی هدایت می‌کند. جریان گرما از معادله‌ای پیروی می‌کند که مشابهمعادله موجی است که برای توصیف نحوه انتشار صوت در هوا استفاده می‌شود. زمانی که گرما آغاز می‌شود، با سرعتی برابر با ۲۰ متر بر ثانیه در دمای ۱٫۸ کلوین در هلیوم II، همانند انتقال امواج در پدیده‌ای معروف به‌نامموج دوم[h][توضیح ۲] منتقل می‌شود.[۱۴]
زمانی‌که سطح هلیوم II از تراز آن پیشی بگیرد برخلافنیروی جاذبه وارده به نمونه، در امتداد سطح حرکت می‌کند. چنانچه ظرف نمونه روباز باشد به‌شکل عجیبی از کناره‌ها از ظرف خارج می‌شود تا اینکه خود را به نواحی با دمای بالاتر برساند و در آنجا شروع به تبخیر شدن می‌کند. نمونه هلیوم II فارغ از سطح ماده، در یک فیلم دارای ضخامت ۳۰ نانومتری حرکت می‌کند. به این فیلم، اصطلاحاًفیلم رولین[i] گفته می‌شود و به افتخاربرنارد وی. رولین،[j] کسی که برای اولین‌بار این ویژگی را شرح داد، نامگذاری شده است.[۱۴][۴۴][۴۵] در نتیجه این رفتار هلیوم می‌تواند به سرعت از طریق روزنه‌های کوچک تراوش کند و بر همین مبنا، نگهداری هلیوم مایع بسیار دشوار است. اگر محفظه‌های نگهداری هلیوم با دقت بالایی ساخته نشوند و دارای روزنه حتی در ابعاد کوچک باشند، هلیوم می‌تواند از طریق آنها خارج شود تا به سطوح گرم‌تر برسد و در آنجا تبخیر شود. امواج منتشر شونده در طول فیلم رولینگ از همان معادله‌ای که برای توصیفموج گرانشی در آب کم عمق به‌کار می‌رود، پیروی می‌کنند، اما برخلاف جاذبه، عامل پیش‌برندهنیروی واندروالسی است.[۴۶] این امواج بهصوت سوم[k] معروفند.[۴۷]
اتم هلیوم. در تصویر به‌نمایش درآمده، رنگ صورتی نمایان‌گر هسته اتم است و رنگ سیاه اشاره به توزیع ابر الکترونی دارد. تصویر کوچک موجود در بالای سمت راست، تصویر بزرگ‌نمایی شده از هسته اتم هلیوم-۴ است، هسته‌ای که دارای تقارن کروی و دارای ظاهری شبیه به ابر الکترونی است. البته برای هسته‌های سنگین‌تر که دارای ذره‌های هسته‌ای بیشتری هستند، همواره چنین شباهتی وجود ندارد.
از نقطه نظرمکانیک کوانتومی، هلیوم دومین اتم ساده پس از هیدروژن، برای ساخت مدل کوانتومی است. هلیوم متشکل از دو الکترون در حال چرخش در اوربیتال‌های اتمی است که حول یک هسته دارای دو پروتون و (معمولاً) دو نوترون قرار دارند. در مکانیک نیوتونی، برای سیستم‌های بیش از دو ذره، امکان یافتن آنالیز دقیق ریاضی وجود ندارد(برای این موضوع بهمسئله سه جسم رجوع کنید) و هلیوم نیز با داشتن دو الکترون و یک هسته، یک سیستم سه‌ذره‌ای محسوب می‌شود و در نتیجه امکان انجام محاسبات ریاضی با کمکمکانیک کلاسیک برای آن وجود ندارد؛ بنابراین، روش‌های عددی ریاضی برای آنالیز آن مورد نیاز است. روش‌های محاسباتی متداول در شیمی که برای ایجاد تصویری کوانتومی از الکترون استفاده می‌شوند، در برخی از مراحل محاسبه نسبت به مقادیر واقعی، خطایی کمتر از دو درصد دارند. چنین مدل‌هایی نشان می‌دهند که هر الکترون دراتم هلیوم بخشی از هسته را پوشش می‌دهد که در نتیجه چنین پوششی، بار مؤثر هسته‌ای که هر الکترون با آن مواجه است، حدود ۱٫۶۹ واحد است و نه دو واحد؛ که به‌طور کلاسیک از یک هسته نپوشیده هلیوم انتظار می‌رود.[۴۸]
هسته اتمهلیوم-۴ برابر یکذره آلفا است.[۴۹]آزمایش‌های انرژی بالای تفرق الکترونی[l] نشان می‌دهد که بار هسته همانند چگالی ابر الکترون هرچه از مرکز اتم دور شویم کمتر می‌شود. این تقارن در توزیع بار نمایان‌گر یکی از اصول زیربنایی فیزیک است. اصلی که می‌گوید دو نوترون و دو پروتون موجود در هسته اتم هلیوم همانند دو الکترونی که به دور هسته می‌چرخند، از قواعد یکسان کوانتومی پیروی می‌کنند اگرچه نوع پتانسیل پیوندی هسته‌ای برای ذره‌های هسته‌ای متفاوت است، به‌طوری که همه این فرمیونها به‌شکل کامل اوربیتال‌های 1s را اشغال می‌کنند و هیچ‌کدام دارای ممان زاویه‌ای اوربیتالی نیستند، چراکه هر یک اسپین ذاتی دیگری را خنثی می‌کنند. افزودن به هر کدام از این ذره‌ها، نیازمند ممان زاویه‌ای است و در نتیجه آن، انرژی کمتری آزاد می‌کند در حقیقت، هیچ هسته‌ای با پنج ذره هسته‌ای پایدار نیست. این آرایش از لحاظ انرژی برای همه این ذره‌ها بسیار پایدار است و این پایداری عامل حقایق بسیار مهمی در مورد ذات و طبیعت هلیوم است. برای مثال پایداری و انرژی کم ابر الکترونی در هلیوم عامل بی‌میلی و واکنش پذیری بسیار کم این اتم است. همچنین، عدم برهم‌کنش اتم‌های هلیوم با یکدیگر، موجب می‌شود که هلیوم دارای پایین‌ترین نقطه ذوب و جوش در بین تمامی عناصر باشد.[۵۰]
به‌صورت مشابهی، پایداری ویژه ذره‌های هسته‌ای هلیوم-۴ از لحاظ انرژی، موجب ایجاد اثرات مشابهی می‌شود که در نتیجه آن، تولید هلیوم-۴ بر اثر واکنش‌های اتمی در فرایندهای همجوشی یا شکافت ذره‌های سنگین آسان می‌شود. برخی از اتم‌های پایدار هلیوم-۳ (۲ پروتون و ۱ نوترون)، در واکنش همجوشی هیدروژن تولید می‌شوند. با این‌حال، مقدار تولید شده در مقایسه با هلیوم-۴ که محصول بسیار مطلوب‌تری به حساب می‌آید، بسیار کم است و کسر بسیار کوچکی را شامل می‌شود.[۵۱] پایداری غیرمعمولی هسته هلیوم-۴ از لحاظ کیهان‌شناسی دارای اهمیت است، چراکه این پایداری، این حقیقت را توضیح می‌دهد که در چند دقیقه اول پس ازمه‌بانگ، مخلوط اولیه کیهانی مملو از پروتون‌ها و نوترون‌ها با نسبت شش به یک، تا دمایی سرد شد که امکان تشکیل پیوندهای هسته‌ای فراهم شد و تقریباً تمامی ترکیب‌های اتمی اولیه مصرف شدند تا هسته هلیوم-۴ تشکیل شود.[۵۲]
قدرت اتصال اجزای هلیوم-۴ و میزان پایداری کلی آن به قدری زیاد بود که موجب شد تقریباً تمامی نوترون‌های آزاد ظرف همان چند دقیقه ابتدایی و قبل از اینکه بتوانند دچار فروپاشی بتا شوند، مصرف شوند. علاوه‌بر این، مقدار کمی از نوترون‌های باقی مانده در تولید اتم‌های سنگین‌تر مانندلیتیم،بریلیوم یابور مصرف شدند. انرژی بستگی هسته هلیوم-۴ برای هرذره هسته‌ای قوی‌تر از هرکدام از این عناصر سنگین‌تر تولید شده است(برای مقایسه بههسته‌زایی وانرژی بستگی رجوع کنید) که این پایداری موجب شد اتم‌های هلیوم تشکیل شده در دقایق اولیه شکل‌گیری کیهان، انرژی کافی برای همجوشی اتم‌های هلیوم و ساخته شدن اتم‌های سنگین‌تر مانند لیتیم، بریلیم و بور در دسترس قرار نداشته باشد. انجام همجوشی هسته‌ای و تبدیل هلیوم به عنصری سنگین‌تر مانند کربن که در مقایسه با هلیوم دارای انرژی کمتری به‌ازای هر ذره هسته‌ای است، واکنشی نامطلوب و نیازمند انرژی زیاد است.[۵۳]
با این‌حال، به‌علت نبودفلز واسطه، این فرایند نیازمند این است که سه هسته هلیوم طیفرایند آلفا سه‌گانه تقریباً به‌طور همزمان با یکدیگر برخورد کنند. در دقایق اولیه تشکیل کیهان و قبل از اینکه دما و فشار کیهان بر اثر انبساط به‌حدی کاهش یابد که دیگر امکان تبدیل هلیوم به کربن وجود نداشته باشد، زمان زیادی برای شکل‌گیری مقدار زیادی کربن وجود نداشته است. این موضوع موجب شد که نسبت هیدروژن به هلیوم در اوایل شکل‌گیری کیهان عددی بسیار نزدیک باشد، همان عددی که امروزه نیز مشاهده می‌شود. مجموع جرم هیدروژن سه برابر مجموع جرم هلیوم-۴ موجود در کیهان است. تمام عناصر سنگین‌تر از جمله آنهایی که برای تشکیل سیاره‌های سنگی مانند زمین و تشکیل حیات کربنی لازم هستند پس از مهبانگ در ستارگان ساخته می‌شوند؛ مکانی که میزان هلیوم، دما و فشار کافی وجود دارد. تمامی عناصر دیگر به‌جز هیدروژن و هلیوم، امروزه مجموعاً تنها دو درصد از کلجرم اتمی مواد موجود در کیهان را تشکیل می‌دهند هلیوم-۴ تشکیل دهنده ۲۳ درصد از جرم ماده معمولی (به‌جز هیدروژن) موجود در کیهان است.[۵۳]
نمودار انرژی بستگی برای هر یک ازنوکلئون‌های ایزوتوپ‌های متداول: انرژی بستگی برای هرنوکلئون هلیوم-۴، به‌صورت قابل ملاحظه‌ای بزرگ‌تر ازنوکلئون‌های نزدیک است.هلیوم-۴ اینایزوتوپ پایدار بوده و فراوان‌ترین ایزوتوپ هلیوم در زمین است.ازهلیوم-۳ به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به رآکتورهای همجوشی هسته ای استفاده می‌شود.
تا کنون ۹ایزوتوپ برای هلیوم پیدا شده است که از میان آن‌هاهلیوم-۳ وهلیوم-۴ تنهاایزوتوپ‌های پایدار آن‌اند. در هواکرهٔ زمین در برابر هر یک اتم هلیوم-۳، یک میلیون هلیوم-۴ وجود دارد.[۵۴] برخلاف بیشتر عنصرها، فراوانی ایزوتوپ‌های هلیوم بسته به منبع تولید و فرایند پدیداری شان بسیار متفاوت است. فراوان‌ترین ایزوتوپ آن، هلیوم-۴ در زمین از راهواپاشی آلفای عنصرهای پرتوزای سنگین تر تولید می‌شود. پرتوهای آلفای تابیده شده همگی هسته‌های یونیزه شدهٔ هلیوم-۴اند. هلیوم-۴ به طرز غیرمعمولی هستهٔ پایداری دارد چونذره‌های هسته‌ای آن ازآرایش الکترونی پایداری برخوردارند. این ایزوتوپ‌ها در جریانهسته‌زایی مهبانگ به فراوانی تولید شدند.[۵۵]
هلیوم-۳ به مقدار بسیار ناچیز یافت می‌شود که بیشتر آن از هنگامهٔ ساخت زمین به جای مانده است. گاهی هلیومِ گیر افتاده در گرد وغبار کیهانی هم وارد زمین شده است.[۵۶] همچنین در اثرواپاشی بتایتریتیوم هم اندکی هلیوم-۳ تولید می‌شود.[۵۷] در سنگ‌هایپوستهٔ زمین ایزوتوپ‌هایی از هلیوم پیدا می‌شود که نسبت یک به ده دارد. با توجه به این نسبت‌ها می‌توان دربارهٔ منشأ سنگ‌ها و ساختارگوشتهٔ زمین پژوهش کرد.[۵۶] هلیوم بیش از همه به عنوان محصول واکنش‌های همجوشی در ستاره‌ها پیدا می‌شود؛ بنابراین درمحیط‌های میان ستاره‌ای نسبت هلیوم-۳ به هلیوم-۴ نزدیک به صد برابر بیشتر از نسبت آن در زمین است.[۵۸] در ماده‌های فرازمینی مانندسنگ‌های موجود درماه یاسیارک‌ها می‌توان ردّ پای هلیوم-۳ را از هنگامی که در اثربادهای خورشیدی پرتاب شدند، پیدا کرد. غلظت هلیوم-۳ موجود در ماه،۰٫۰۱ppm است که بسیار بالاتر از مقدار آن،۵ ppt (یک بخش در تریلیون) در هواکرهٔ زمین است.[۵۹][۶۰] دسته‌ای از دانشمندان از جملهٔ آنها جرالد کالسینسکی[m] در سال ۱۹۸۶ پیشنهاد دادند که در سطح ماه جستجو شود و از معدن‌های هلیوم-۳ آن برای واکنشهمجوشی هسته‌ای بهره‌برداری شود.[۶۱]
هلیوم-۴ مایع را می‌توان با کمک خنک‌کننده تبخیر ویژه تا نزدیک به ۱ درجه کلوین سرد کرد. روش سردسازی هلیوم-۳ مانند هلیوم-۴ است؛ با این تفاوت که هلیوم-۳ نقطهٔ جوش پایین‌تری (نزدیک به ۰٫۲ کلوین) دارد و این فرایند درسردساز هلیوم-۳[n] روی می‌دهد. اگر بخواهیم مخلوطی از هلیوم-۳ و هلیوم-۴ با نسبت‌های برابر در زیر ۰٫۸ کلوین داشته باشیم این دو به به دلیل ناهمانندی، به صورت دو بخش مخلوط نشدنی از هم جدا می‌شوند. اتم‌های هلیوم-۴ رابوزونها تشکیل می‌دهد در حالی که در هلیوم-۳فرمیونها سازندهٔ اتم‌ها هستند. این ویژگی هلیوم دریخچال‌های رقیق‌سازی برای رسیدن به دمای چند میلی‌کلوین به کار می‌آید.[۱۴]
می‌توان به صورت آزمایشگاهی همایزوتوپ هلیوم درست کرد، اما این ایزوتوپ‌ها خیلی زود به دیگر ماده‌ها دگرگون می‌شوند. برای نمونه، می‌توان از هلیوم-۵ یاد کرد که دارای کوتاه‌تریننیمه‌عمر، ۷٫۶×۱۰−۲۲ ثانیه است. پس از آن هلیوم-۶ است کهتابش بتا و نیمه عمر ۰٫۸ ثانیه دارد. هلیوم-۷ ذرات بتا وپرتوی گاما می‌تاباند. هلیوم-۷ و هلیوم-۸ هر دو در شرایط ویژهٔ واکنش‌های هسته‌ای پدید می‌آیند.[۱۴] معلوم شده است که هم هلیوم-۶ و هم هلیوم-۸ از خود پدیده‌ای به‌نامهاله هسته‌ای[o][توضیح ۳] نشان می‌دهند. این موضوع به این معنی است که شعاع به‌دست آمده برای آنها بسیار بیشتر از مقدار پیش‌بینی شده توسط مدل‌های اندازه‌گیری مانندمدل سقوط مایع[p] است.[۱۴]
هلیوم دارای ظرفیت صفر است و درنتیجه از لحاظ شیمیایی در شرایط معمول، یک عنصر واکنش‌ناپذیر است.[۳۸] هلیوم یک عایق الکتریسیته محسوب می‌شود، مگر اینکه یونیزه شود. همانند سایر گازهای نجیب، هلیوم نیز دارای سطوح انرژی شبه‌پایدار[r] است که موجب می‌شود این عنصر در صورت وجودبار الکتریکی با ولتاژی کمتر از پتانسیل یونیزاسیون خود، یونیزه باقی بماند.[۱۴] هلیوم می‌تواند در زمانی که تحتتخلیه تابشی، بمباران الکترونی یا تبدیل شدن به پلاسما تحت شرایط دیگر، قرار می‌گیرد، با عناصری مانندتنگستن،فلورید،گوگرد وفسفر ترکیبات ناپایداری موسوم بهبرانگیخته‌پار تشکیل دهد. ترکیبات مولکولی مانند هلیوم نئون (HeNe)، جیوه هلیوم (HgHe۱۰)، تنگستن هلیوم (WHe۲) و گونه‌های مولکولی یونی مانند He۲+ ،He۲+ ،HeH و+HeD به‌این صورت ساخته می‌شوند.[۶۲] ترکیب+HeH دارای حالت پایه پایدار است، اما فوق‌العاده واکنش‌پذیر است؛ به‌طوری که قوی‌ترین اسید برونستدی است که تاکنون شناخته شده است؛ بنابراین می‌تواند تنها به صورت جداشده وجود داشته باشد، زیرا هرنوع مولکول یا یون مخالفی که در مجاورت آن قرار بگیرد، پروتون‌دار می‌شود. این روش همچنین موجب تولید مولکول هلیوم گازی (He۲) و مولکول جیوه هلیوم (HgHe) شده است.[۱۴] ترکیبات واندروالسی هلیوم مانند لیتیم هلیوم (LiHe) و مولکول هلیوم (He۲)، می‌توانند با سرد کردن گاز هلیوم و اتم‌های برخی دیگر از مواد، تولید شوند.[۶۳]
وجود ترکیبات واقعی دیگری مانند هلیوم فلوئوروهیدرید (HHeF) که مشابهآرگون فلوروهیدرید است و در سال ۲۰۰۰ کشف شد نیز به صورت نظری نیز ممکن است.[۶۴] محاسبات نشان می‌دهد که دو ترکیب جدید حاوی پیوند هلیوم-اکسیژن می‌تواند پایدار باشد. دو گونه جدید مولکولی CsFHeO و N(CH۳)۴FHeO که به‌صورت نظری پیش‌بینی شدند، مشتق‌هایی از یک آنیون−FHeO ناپایدار هستند که برای اولین‌بار در سال ۲۰۰۵ به صورت نظری توسط یک گروه تحقیقاتی تایوانی وجود آن پیش‌بینی شد. اگر تحقیقات آن را تأیید نماید، تنها عنصری که هنوز هیچ ترکیب پایداری از آن گزارش نشده، عنصرنئون خواهد بود.[۶۵]
اتم‌های هلیوم می‌توانند با اعمال حرارت و تحت فشار زیاد به درون ساختار توخالی قفس کربنی مولکولفولرن وارد شوند. به این نوع مولکول‌های فولرن که دارای گونه خارجی مانند اتم، یون یا خوشه مولکولی در داخل ساختار قفس‌مانند خود هستند، اصطلاحاًفولرن اندوهدرال[s] گفته می‌شود که در دماهای بالا نیز پایدارند. زمانی‌که مشتق‌های این نوع فولرن‌ها تشکیل می‌شوند، هلیوم در داخل ساختار قفس مانند فولرن باقی می‌ماند.[۶۶] اگر هلیوم-۳ برای این منظور استفاده شود، به‌آسانی می‌توان حضور آن را با کمکطیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای مشخص کرد.[۶۷]
بسیاری از فولرن‌های حاوی هلیوم-۳ گزارش شده‌اند. اگرچه، اتم‌های هلیوم به صورت کووالانسی یا یونی به ساختار فولرن متصل نشده‌اند، با این‌حال ترکیب فولرن حاصل، مانند تمامی ترکیب‌های شیمیایی استوکیومتری دارای خواص و ترکیب منحصر به‌فرد و مشخص است. تحت فشار زیاد، هلیوم می‌تواند ترکیباتی با عناصر مختلف را تشکیل دهد. کریستال‌های ترکیبکلاترات هلیوم-نیتروژن (۱۱(N۲)He) در دمای اتاق و تحت فشار ۱۰ گیگاپاسکال درون یکسلول سندان الماس رشد داده شده‌اند.[۶۸] مشخص شده است که ترکیب الکترید[t][توضیح ۴] سدیم هلیوم (Na۲He) که یک عایق الکتریسیته است، در فشار بالای ۱۱۳ گیگاپاسکال، به‌صورت ترمودینامیکی پایدار است. این مولکول دارای ساختاریفلئوریتی است.[۶۹]
هلیوم دومین عنصر فراوان بعد از هیدروژن در کیهان و در منظومه شمسی است و حدود ۱۱٫۳ درصد از کل اتم‌های جهان را تشکیل می‌دهد. حدود ۸۸٫۶ درصد از کل اتم‌های جهان هیدروژن هستند؛ بنابراین، حداقل ۹۹٫۹ درصد از کل اتم‌ها شامل اتم‌های هیدروژن یا هلیوم هستند. در مقابل، هلیوم در زمین بسیار نایاب است. این گاز پس از نیتروژن، اکسیژن، آرگون، دی‌اکسید کربن و نئون ششمین گاز فراوان در جو است که تقریباً ۰٫۰۰۰۵۲۴ درصد هوا را تشکیل می‌دهد. تخمین میزان هلیوم در پوسته زمین غیرممکن است. این گاز هنگام واپاشی اورانیوم و سایر عناصر رادیواکتیو تولید می‌شود. اما اغلب تقریباً بلافاصله به جو فرار می‌کند[۲۹]به‌طوری‌که قیمت هلیوم در ۱۵ سال اخیر ۵۰۰ درصد افزایش پیدا کرده است. در ژوئن ۲۰۱۶ مقادیر بزرگی از هلیوم در صحرای موسوم بهکافت شرق آفریقا درتانزانیا کشف شد. براساس برآوردها، میزان ذخیره این میدان ۵۴ میلیارد متر مکعب است که می‌تواند نیاز چندین سال بشر را تأمین کند. فعالیتآتشفشانی درکافت شرق آفریقا باعث انتشار گاز هلیوم در صخره‌های کهن می‌شود که در نهایت در میدان‌های کم‌عمق‌تر گاز به تله می‌افتد.[۷۰]
درجو زمین، غلظت هلیوم تنها ۵٫۲ قسمت در میلیون است.[۷۱][۷۲] غلظت هلیوم موجود در جو، با وجود تولید مداوم و پیوسته، کم و تقریباً ثابت است، چون بیشتر هلیوم جو زمین، طی چندین فرایند از جو خارج شده و وارد فضا می‌شود.[۷۳][۷۴][۷۵] درهتروسفر[u] زمین که در قسمت بالایی جو قرار دارد، هلیوم و سایر گازهای سبک‌تر، فروان‌ترین عناصر موجود هستند.
اغلب هلیوم موجود بر روی زمین درنتیجه یکواپاشی هسته‌ای است. هلیوم در مقادیر زیادی در کانی‌هایاورانیوم وتوریوم ماننداورانینیت و انواع آن مانندکلویت،اورانینیت سیاه،[v]کارنوتیت ومونازیت یافت می‌شود.[۷۶][۷۷][۷۸] علت فراوانی هلیوم در این نوع کانی‌ها این است که عناصر پرتوزایی مانند اورانیوم و توریومذرات آلفا (هسته اتم هلیوم دارای دوبار مثبت: He+۲) از خود منتشر می‌کنند و این ذرات در زمان برخورد با سنگ‌ها، با دریافت الکترون لازم، موجب تولید هلیوم می‌شود. تخمین زده می‌شود تنها از این طریق، حدود ۳۰۰۰ تن متریک هلیوم در هر سال در سرتاسرسنگ‌کره تولید شود.[۷۹][۸۰][۸۱] در پوسته زمین، غلظت هلیوم برابر با۸ ppb است. درآب دریا، غلظت هلیوم کمتر شده و به۴ ppt می‌رسد. همچنین، مقادیر کمی از هلیوم در چشمه‌هایآب معدنی، گازهای آتش‌فشانی وشهاب سنگ‌های حاوی آهن[w] وجود دارد. به این‌علت که هلیوم در سطح زیر زمین و در شرایطی مشابه با گاز طبیعی به‌دام افتاده است، بزرگ‌ترینمنابع طبیعی هلیوم روی زمین، که بیشترین هلیوم استخراج شده تجاری از آنجا تهیه می‌شود، در محل منابع گازهای طبیعی است. غلظت هلیوم در این منابع متغیر و از چند قسمت در میلیون تا بیش از ۷ درصد در میدان گازی واقع درسن خوآن، نیومکزیکو است.[۸۲][۸۳]
با روی کار آمدن تأسیسات مایع‌سازی گاز طبیعی، مقدار هلیوم قابل بازیافت افزایش یافته است، زیرا یکی از پیامدهای مایع شدن گاز طبیعی افزایش غلظت نسبی هلیوم و در نتیجه، مقرون به صرفه بودن استخراج آن است. هر ساله دفتر مدیریت سرزمین[x] به نمایندگی از سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده[y] منابع جهانی هلیوم را گزراش می‌کند. جدول ۱ برآورد ذخایر هلیوم و پایه ذخیره هلیوم در سال ۲۰۰۸ را نشان می‌دهد. ذخایر منابعی هستند که می‌توانند در زمان تعیین از نظر اقتصادی استخراج یا تولید شوند.[۸۴]
توجه به این نکته حائز اهمیت است که کلیه ذخایر ذکر شده تخمین زده می‌شوند و به استثنای تعداد کمی از ذخایر هیچ‌کدام توسط مؤسسات معتبر تأیید نشده‌اند. کل ذخایر تخمین زده شده بر اساس پالایش ۶٫۲ میلیارد فوت مکعب در سال ۶۳۸ میلیارد فوت مکعب است که با توجه به میزان مصرف برای ۱۰۰ سال پیش‌بینی می‌شود. با این حال، اگر مصرف با نرخ‌های اخیر رشد کند (۴ درصد در سال)، این ذخایر به ۴۰ سال کاهش می‌یابد، افزون بر این توجه به این نکته مهم است که این برآورد فقط در صورتی معتبر است که کل مقدار گاز طبیعی تولید شده از هر مخزن برای هلیوم پردازش شود.[۸۴]
تا سال ۲۰۱۱، تخمین زده شده است که ذخایر هلیوم دنیا در حدود ۴۰ میلیارد متر مکعب باشد، که یک چهارم از این ذخایر درمیدان گازی پارس جنوبی که میانایران وقطر مشترک است، قرار دارد.[۸۵] در سال ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶، ذخایر احتمالی جدیدی در رشتهکوه‌های راکی در آمریکای شمالی[۸۶] و درکافت شرق آفریقا اعلام شده است.[۸۷]
بازار هلیوم در سال‌های اخیر با کمبود جهانی بین سال‌های ۲۰۰۶ و ۲۰۰۷ و ۲۰۱۱ و ۲۰۱۳ کاملاً متعادل شده است. ایالات متحده با ۴۰٪ از تولید هلیوم بزرگ‌ترین تولیدکننده جهان است. با این حال، ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده در آماریلو، تگزاس، بزرگ‌ترین منبع هلیوم در جهان طی ۷۰ سال گذشته، اکنون به حداقل سطح خود ۳ میلیارد فوت مکعب رسیده است. این ذخیره در سال ۱۹۶۰ به عنوان مخزن استراتژیک هلیوم راه اندازی شد. در سال ۱۹۹۶ لایحه ای برای فروش بخش عمده ای از عرضه و پرداخت بدهی‌های کارخانه توسط دولت آمریکا تصویب شد که منجر به کاهش قیمت هلیوم شد. بسته شدن ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده، بخش قابل توجهی از عرضه هلیوم را از بازار خارج کرد. در تاریخ ۳۱ دسامبر ۲۰۱۸،دفتر مدیریت سرزمین حدود ۲۲۳۰۰ نمونه گاز از ۲۶ کشور و ایالات متحده را در برنامه ای برای شناسایی منابع هلیوم جهان تجزیه و تحلیل کرده است.[۸۸]
براساس گفته‌هایرابرت کلمن ریچاردسون فیزیکدان و برندهجایزه نوبل، در سال ۲۰۱۰ قیمتبازار آزاد هلیوم موجب استفاده‌های بیهوده مانند استفاده از آن برای بالن‌های هلیوم کمک کرده است. قیمت‌ها در دهه ۲۰۰۰ با تصمیمکنگره ایالات متحده برای فروش سهام بزرگ هلیوم این کشور تا سال ۲۰۱۵ کاهش یافته بود.[۸۹]ارزش تخمینی هلیوم درجه A (با خلوص ۹۹٫۹۹۷٪ یا بیشتر) که در سال ۲۰۱۹ توسط صنایع خصوصی استخراج شد حدود ۷۱۷ میلیون دلار بود. به باور ریچاردسون برای از بین بردن هدر رفت بیش از حد هلیوم، قیمت‌ها باید ۲۰ برابر شود. او به همراه همکارانش در کتابشان،آینده هلیوم به عنوان یک منبع طبیعی[z] همچنین پیشنهاد ایجادآژانس بین‌المللی هلیوم[aa] برای ایجاد بازار پایدار برای این کالای گرانبها را داده است.[۹۰]
بنای یادبود تاریخی در نزدیکیدکستر، کانزاس در ایالات متحده آمریکا، که اشاره به منبع عظیم هلیوم کشف شده در این محل دارد.تولید گاز هلیوم در ۸ مارس ۱۹۲۳واحد غنی سازی هلیوم خام در میدان گازی کلیفساید.میزان تولید و ذخیره‌سازی هلیوم در ایالات متحده، ۱۹۴۰ تا ۲۰۱۴ (بر اساس داده‌های USGS)منابع و کارخانه‌های فرآوری هلیوم در ایالات متحده، ۲۰۱۲ (بر اساس داده‌های USGS)
در یک عملیات حفاری نفت در سال ۱۹۰۳ دردکستر، کانزاس، فوران گازی مشاهده شد که فاقد قابلیت اشتعال بود. زمین‌شناسی به‌نام اراسموس هاورث[ab] نمونه‌هایی از این گاز تهیه کرد و آنها را بهدانشگاه کانزاس برد و با کمک شیمی‌دانان‌هایی به نام‌هایهمیلتون کدی و دیوید مک‌فارلاند[ac] پی برد که گاز مورد نظر، مخلوطی از ۷۲ درصد نیتروژن، ۱۵ درصد متان (گازی که در صورت وجود اکسیژن کافی، قابلیت اشتعال دارد)، ۱ درصد هیدروژن و ۱۲ درصد گازی غیرقابل شناسایی است.[۱۳][۹۱] با انجام تجزیه و تحلیل‌های بیشتر، کادی و مک‌فارلاند کشف کردند که ۱٫۸۴ درصد از مخلوط گازی جمع‌آوری شده، متشکل از هلیوم است.[۹۲][۹۳] این کشف نشان داد که با وجود فراوانی بسیار اندک هلیوم بر روی زمین، هلیوم می‌تواند در مقادیر زیادی در زیر مناطق مربوط بهدشت بزرگ (آمریکا) وجود داشته باشد و در زمان استخراج گاز طبیعی به‌صورتمحصول جانبی به‌دست بیاید.[۹۴]
این کشف موجب شد کهایالات متحده آمریکا به بزرگ‌ترین تأمین کننده هلیوم دنیا تبدیل شود. بعد از پیشنهاد ریچارد ترلفال،[ad]نیروی دریایی ایالات متحده، سه کارخانه آزمایشی هلیوم را در طول جنگ جهانی اول راه‌اندازی کرد. هدف از آغاز چنین پروژه‌ای تأمین گازی غیرقابل اشتعال و سبک‌تر از هوا برای بالن‌های دفاعی[ae] مورد استفاده در جنگ بود. مقداری از این هلیوم تولید شده نیز برای پرکردن اولینکشتی هوایی پرشده با هلیوم،کشتی هوایی بادکنکی غیرصلب کلاس سی، مورد استفاده قرار گرفت. اولین پرواز این کشتی هوایی در تاریخ ۱ دسامبر ۱۹۲۱، از همپتون رودز[af] درویرجینیا به پایگاه نیروی هوایی بولینگ[ag] درواشینگتن، دی.سی. بود.[۹۵] حدود دو سال بعد و در سپتامبر ۱۹۲۳، پرواز اولین کشتی هوایی بادکنکی صلب و پرشده با هلیوم که توسط شرکت هواپیماسازینیروی دریایی ساخته شده بود و نامش یواس‌اس[ah] بود، انجام شد.اگرچه فرایند استخراج با استفاده از مایع‌سازی گاز در دمای پایین در آن زمان حساس در جنگ جهانی اول هنوز توسعه نیافته بود، با این‌حال تولید هلیوم ادامه داشت. هلیوم در ابتدا به‌عنوان گازی بالابرنده[ai][توضیح ۵] در کشتی‌های هوایی مورد استفاده قرار گرفت. در طول جنگ جهانی دوم، تقاضا برای هلیوم به‌عنوان گاز بالابرنده و همچنین برای جوشکاری قوس پوشش‌دار[aj] افزایش یافت.طیف‌سنجی جرمی هلیوم[ak] نقشی حیاتی درتولید بمب اتمی در پروژه منهتن داشت.[۹۶]
در سال ۱۹۲۵ دولت ایالات متحده درآماریلو، تگزاس، با هدف تأمین گاز مورد نیاز برای کشتی‌های هوایی نظامی در زمان جنگ و کشتی‌های هوایی تفریحی در زمان صلح، محلی را برای ذخیره راهبردی هلیوم با عنوانذخیره هلیوم ملی[al] احداث کرد.[۱۴] در آن زمان که آمریکا تنها تولیدکننده هلیوم بود، هلیوم خیلی گران بود و مصوبه کنگره موسوم بهمصوبه همیلتون ۱۹۲۵[am] نیز صادرات آن را ممنوع می‌کرد؛ بنابراین، کشتیهیندنبورگ ال‌زد ۱۲۹ و سایر کشتی‌های هوایی آلمانزپلین مجبور بودند به‌جای هلیوم از هیدروژن استفاده کنند.
بازار هلیوم پس از جنگ جهانی دوم دچار رکود شد. اما ذخایر هلیوم در دهه ۱۹۵۰ میلادی توسعه داده شد تا از تأمین هلیوم به‌عنوان یک خنک‌کننده برای تولید اکسیژن و هیدروژن مورد نیاز برای سوخت موشک (و همچنین سایر اهداف) در طول دورانرقابت فضایی وجنگ سرد اطمینان حاصل شود. میزان هلیوم مورد استفاده در آمریکا در سال ۱۹۶۵ بیش از هشت برابر بیشینه مصرف در زمان جنگ بود.[۹۷]
پس از اصلاح مصوبه کنگره در مورد هلیوم در سال ۱۹۶۰ (قانون عمومی ۸۶–۷۷۷)،اداره معادن ایالات متحده آمریکا[an] طرح تأسیس پنج کارخانه خصوصی برای بازیابی هلیوم از منابع گاز طبیعی را تصویب کرد. براساس این برنامه حفظ منابع هلیوم، اداره معادن یک خط لوله به طول ۴۲۵ مایل (۶۸۴ کیلومتر) احداث کرد تا کارخانه‌های دولتیمیدان گازیکلیف‌ساید[ao] از شهربوشتون، کانزاس به آماریلو، تگزاس متصل شوند. مخلوط هلیوم-نیتروژن تزریق شد و میدان گازی کلیفساید ذخیره شد تا زمان نیاز به هلیوم، این مخلوط تحت خالص‌سازی بیشتر قرار بگیرد.[۹۸]
تا سال ۱۹۹۵، یک میلیاردمتر مکعب از این گاز ذخیره شده بود و مجموعه ۱٫۴ میلیارد دلار بدهی داشت؛ بنابراین،کنگره ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۹۶ طرح ذخیره هلیوم را متوقف کرد.[۱۳][۹۹] مصوبه خصوصی‌سازی هلیوم سال ۱۹۹۶ (قانون عمومی ۱۰۴–۲۷۳)،[۱۰۰]وزارت کشور ایالات متحده آمریکا را بر آن داشت که ذخایر هلیوم را تخلیه کند و فروش از سال ۲۰۰۵ آغاز شد.[۱۰۱]
هلیوم تولیدشده بین سال‌های ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۵ دارای خلوص حدود ۹۸٫۳ درصد بود (۲ درصد نیتروژن) که این میزان خلوص برای کشتی‌های هوایی کافی بود. در سال ۱۹۴۵، مقدار کمی از هلیوم ۹۹٫۹ درصد برای استفاده در جوشکاری تولید شد. تا سال ۱۹۴۹، تولید هلیوم در مقیاس تجاری با خلوص ۹۹٫۹۵ درصد از نوعدرجه آ[ap] ممکن بود.[۱۰۲]
برای سال‌های زیادی، ایالات متحده آمریکا، بیش از ۹۰ درصد هلیوم تولیدی دارای قابلیت استفاده به‌صورت تجاری در دنیا را تولید می‌کرد، در حالی‌که ۱۰ درصدباقی‌مانده توسط کارخانه‌های موجود در کانادا، هلند، روسیه و دیگر کشورها تولید می‌شد. در اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی، یک کارخانه جدید درارزیو در الجزایر، تولید بیش از ۱۷ میلیون متر مکعب (۶۰۰ میلیون فوت مکعب) را آغاز کرد که این مقدار برای تأمین تمام نیاز اروپا کافی بود. در همین‌حال، تا سال ۲۰۰۰، مصرف هلیوم درون ایالات متحده آمریکا، به ۱۵ میلیون کیلوگرم در سال افزایش یافت.[۱۰۳] بین سال‌های ۲۰۰۴–۲۰۰۶، کارخانه‌های بیشتری درراس لفان،قطر وسکیکده، الجزایر ساخته شد. الجزایر به‌سرعت به دومین تولیدکننده هلیوم دنیا تبدیل شد.[۱۰۴] در این زمان، هم مصرف هلیوم و هم هزینه تولید هلیوم افزایش یافت.[۱۰۵] از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۰۷، قیمت هلیوم دو برابر شد.[۱۰۶]تا سال ۲۰۱۲، ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده آمریکا، برابر با ۳۰ درصد کل هلیوم دنیا بوده است.[۱۰۷] انتظار می‌رفت که این ذخیره هلیوم، تا سال ۲۰۱۸ به اتمام برسد،[۱۰۷] با این‌حال، یک لایحه پیشنهادی در سنای ایالات متحده آمریکا، اجازه ادامه فروش هلیوم موجود در ذخیره ملی آمریکا را صادر کرد. دیگر ذخایر بزرگ هلیوم آمریکا در میدان گازی هیوگوتون[aq] در کانزاس، تگزاس و اوکلاهاما قرار داشتند. کارخانه‌های جدی هلیوم بر اساس برنامه قرار بود که در سال ۲۰۱۲ در قطر، روسیه وایالت وایومینگ آمریکا شروع به کار کنند، اما انتظار نمی‌رفت که این کارخانه‌ها به موضوع کمبود هلیوم، کمک زیادی کنند.[۱۰۷]
در سال ۲۰۱۳، قطر شروع به ساخت بزرگ‌ترین واحد هلیوم دنیا نمود،[۱۰۸] بااین‌حال بحران دیپلماتیک قطر در سال ۲۰۱۷، به‌طور شدیدی تولید هلیوم در این کشور را تحت تأثیر قرار داد.[۱۰۹] غالباً گفته می‌شود که پس از سال‌ها کمبود هلیوم، در سال ۲۰۱۴ میزان تولید هلیوم بیشتر از تقاضای آن بوده است.[۱۱۰]بازار سهامبورس نزدک در سال ۲۰۱۵ گزارش کرد که برای شرکتی مانندایر پروداکتز اند کمیکالز که شرکتی بین‌المللی و فروشنده گاز با کاربردهای صنعتی است، میزان هلیوم به دلیل محدودیت عرضه مواد اولیه، تحت فشار اقتصادی قرار دارد.[۱۱۱]
برای استفاده در مقادیر زیاد، هلیوم به‌وسیلهتقطیر جزء به جزء گاز طبیعی که حاوی ۷ درصد حجمی هلیوم است، تهیه می‌شود.[۱۱۲] به‌علت اینکه هلیوم دارای نقطه جوش پایین‌تری در مقایسه با دیگر عناصر است، دمای پایین و فشار زیاد مورد استفاده موجب مایع شدن تقریباً تمامی گازهای دیگر (غالباً نیتروژن و متان) می‌شود. گاز هلیوم ناخالص تولید شده به‌وسیله قرار گرفتن در دماهای پایین به‌صورت متوالی، خالص می‌شود و تقریباً تمامی نیتروژن و بقیه گازهای موجود از مخلوط گازی خارج می‌شوند. ازکربن فعال برای خالص سازی هلیوم در آخرین مرحله استفاده می‌شود که معمولاً منجر به تولید هلیومی با کیفیت درجه آ و خلوص ۹۹٫۹۹۵ درصد می‌شود.[۱۴] اصلی‌ترین ماده ناخالص موجود در هلیوم دارای درجه آ، نئون است. در مرحله نهایی تولید، اغلب هلیوم تولید شده از طریق فرایند سرد کردن، مایع می‌شود. این کار برای استفاده از هلیوم مایع ضروری است و موجب می‌شود که هزینه تمام شده برای حمل و نقل هلیوم کاهش پیدا کند، چراکه بزرگ‌ترین مخزن هلیوم مایع دارای حجمی بیش از پنج برابر بزرگ‌ترین مخزن هلیوم گازی است.[۱۰۴][۱۱۳]
در سال ۲۰۰۸، تقریباً ۱۶۹ میلیون متر مکعب استاندارد[ar] هلیوم از منابع استخراج یا از ذخایر برداشته شده است که از این میان، ۷۸ درصد سهم ایالات متحده، ۱۰ درصد سهم الجزایر و ۱۲ درصد باقی مانده، سهم عمده برای کشورهای روسیه، لهستان و قطر بوده است.[۱۱۴] تا سال ۲۰۱۳، افزایش تولید هلیوم قطر (توسط شرکتراس‌گس، به مدیریتایر لیکوئید) موجب شد سهم قطر از هلیوم تولیدی دنیا به ۲۵ درصد افزایش یابد و این کشور را به دومین تولیدکننده هلیوم دنیا، پس از آمریکا تبدیل کرد.[۱۱۵] در سال ۲۰۱۶، ذخیره‌ای از هلیوم در تانزانیا کشف شد که تخمین زده می‌شود حاوی ۵۴ میلیارد متر مکعب هلیوم است.[۱۱۶][۱۱۷]
در ایالات متحده آمریکا، اغلب هلیوم استخراج شده از منابع گاز طبیعی در هیوگوتون و نزدیک میدان گازی در کانزاس، اوکلاهاما ومیدان پن‌هندل[as] در تگزاس است.[۱۰۴][۱۱۸] قبلاً اغلب گاز هلیوم تولیدی با کمک خط لوله ذخیره ملی هلیوم[at] فرستاده می‌شد، اما از سال ۲۰۰۵، فروش ذخیره ملی شروع شد و انتظار می‌رود که تحتمصوبه مسئولیت مدیریت و نظارت بر هلیوم[au] در سال ۲۰۱۳،[۱۱۹] تا ۲۰۲۱ مقداری زیادی از آن مصرف شود.[۱۱۵]نفوذ گاز طبیعی ناخالص به درونغشاهای نیمه‌تراوا و دیگر موانع یکی از روش‌های بازیابی و خالص‌سازی هلیوم است.[۱۲۰] در سال ۱۹۹۶، ایالات متحده آمریکا دارای ذخایر اثبات شده هلیوم بالغ بر ۱۴۷ میلیاردفوت مکعب استاندارد (۴٫۲ میلیارد متر مکعب استاندارد) در مجموعه چاه‌های گازی این چنینی بود.[۱۲۱]
هلیوم باید از گاز طبیعی استخراج شود، چرا که مقدار آن در هوا، تنها به اندازه کسر کوچکی از نئون است. با این‌حال، تقاضا برای آن بسیار بیشتر از این میزان است. تخمین زده می‌شود که اگر تمامی تجیهزات فعلی مورد استفاده در تولید نئون برای تولید هلیوم استفاده شود، ۰٫۱ درصد از نیاز دنیا به هلیوم تأمین می‌شود. به‌صورت مشابهی، ۱ درصد نیاز دنیا به هلیوم تأمین می‌شود.[۱۰۱] هلیوم می‌تواند از طریق بمباران کردن لیتیم یا بور با کمک فوتون‌های پرسرعت یا بمباران لیتیم با دوتریوم سنتز شود، اما این فرایندها بسیار هزینه‌بر و فاقد صرفه اقتصادی هستند.[۱۲۲]
هلیوم به‌صورت متداول، یا به‌شکل مایع یا گاز در دسترس است. در شکل مایع، می‌تواند در مخزن‌های عایق کوچک موسوم بهفلاسک یا دمابان نگهداری شوند. این محفظه‌ها می‌توانند حجمی تا ۱۰۰۰ لیتر داشته باشند. هلیوم مایع همچنین می‌تواند در محفظه‌های بزرگایزو[av] که ظرفیت اسمی آنها ۴۲ متر مکعب (حدود ۱۱٬۰۰۰گالن آمریکایی) است، نیز نگهداری شود. به‌صورت گازی، هلیوم می‌تواند در مقادیر کم در سیلندرهای تحت فشار بالا و با ظرفیت ۸ متر مکعب (حدود ۳۰۰ فوت مکعب استاندارد) نگهداری شود، درحالی‌که مقدار گاز نگهداری شده در تانکرهای تحت فشار زیاد به بیش از ۴٬۸۶۰ متر مکعب (حدود ۱۸۰٬۰۰۰ فوت مکعب استاندارد) می‌رسد.[۱۲۳]
مصرف هلیوم تا فوریه ۲۰۱۹، نمای کلان توسط تحقیقات سرمایه‌گذاری ادیسون[۸۸]
ام‌آرآی (۲۰٪)
فشرده‌سازی و پاکسازی (۶٪)
جوشکاری (۱۷٪)
جوهای کنترل شده (۳٪)
تشخیص نشت (۵٪)
مخلوط‌های تنفسی (۲٪)
آزمایشگاهی (۱۰٪)
الکترونیک (۴٪)
فیبر نوری (۶٪)
ایروستاتیک (۸٪)
دیگر مصارف کروژنیک (۴٪)
دیگر (۱۵٪)
هلیوم در بسیاری از صنایع در سطح جهانی استفاده می‌شود و استفاده از آن در همه زمینه‌های تحقیقات علمی و محیط‌های تجاری، از جمله داروسازی، پزشکی، جوشکاری، علوم رایانه، اکتشافات فضایی وجود دارد. در سال ۲۰۱۴، تولید جهانی هلیوم حدود ۳۲ میلیون کیلوگرم (۱۸۰ میلیون متر مکعب استاندارد) بود. بیشترین میزان مصرف در این سال، مربوط به کاربردهای کرایوژنیک بود که حدوداً ۳۲٪ از کل مصرف هلیوم را شامل می‌شد. کاربردهای کرایوژنیک شامل خنک کردنآهنرباهای ابررسانا در اسکنرهایام‌آرآی پزشکی و طیف‌سنج‌هایان‌ام‌آر است.[۱۲۴] رتبه‌های بعدی مصرف هلیوم در سال ۲۰۱۴، سیستم‌های فشار و پاکسازی، نگهداری اتمسفرهای کنترل‌شده و تشخیص نشت بود. سایر حوزه‌های مصرف هلیوم، درصدهای کم و نسبتاً جزئی داشتند. از دیگر کاربردهای مهم، ایجاد فشار، هوای پیرامونی کنترل شده و جوشکاری است که ۷۸ درصد از کل مصرف هلیوم در سال ۱۹۹۶ را تشکیل داده است. از گاز هلیوم درفضاپیماها، تلسکوپ‌ها و دستگاه نظارت برپرتونگاری هسته‌ای استفاده می‌شود.[۱۲۵]
مخلوط هلیوم با گازهای سنگین‌تر مانند زنون، نسبت ظرفیت حرارتی[aw] بالا وعدد پرنتل پایینی دارد و برای سردسازی ترموآکوستیک[ax] استفاده می‌شود.[۱۲۶] هلیوم به دلیل اینکه نقطه ذوب و جوش بسیار کمی دارد و در فشار جو جامد نمی‌شود و در صفر درجه کلوین و از نظر شیمیایی بی اثر است به عنوان خنک‌کننده فوق‌العاده استفاده می‌شود. علاوه بر این، دمای هلیوم فوق مایع زیر ۲٫۲ کلوین است. تاکنون از ویژگی فوق رواناب منحصر به فرد آن در هیچ کاربرد صنعتی استفاده نمی‌شود. استفاده هلیوم در سیستم‌های سردسازی، نسبت به روش‌های قدیمی، دارای مزیت زیست‌محیطی است؛ چون اثرات مخربی مانند تخریبلایه ازون وگرمایش جهانی بر جای نمی‌گذارد.[۱۲۷]هلیوم به عنوان یک خنک‌کننده فوق‌العاده برای کاربردهای برودتی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI),[۱۲۵] طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR)، شتاب‌دهنده‌های ذرات، برخورد دهنده بزرگ هادرونی، دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID),[ay][۱۲۸] طیف‌سنجی رزونانس چرخش الکترون (ESR)، ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES),[az][۱۲۹][۱۳۰] ژنراتورهای ابررسانا مغناطیسی ، انتقال قدرت ، انتقال نیروی جذب مغناطیسی، سنسورهای ابررسانا، طیف‌سنج‌های جرمی، آهن‌رباهای ابررسانا، جداکننده مغناطیسی میدان قوی، آهن‌رباهای ابررسانای میدان تورویی برای راکتورهای همجوشی و سایر تحقیقات برودتی استفاده می‌شود. هلیوم مواد ابررسانا را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد می‌کند، به طوری که مقاومت الکتریکی ابررساناها ناگهان به صفر می‌رسد. مقاومت الکتریکی بسیار کم ابررساناها باعث می‌شود که میدان‌های مغناطیسی قدرتمندتری ایجاد شود. در مورد تجهیزات MRI در بیمارستان‌ها، میدان مغناطیسی قدرتمندتر جزئیات بیشتری را در اسکن عکس رادیولوژی به دست می‌دهد.[۱۲۵]برخورددهنده هادرونی بزرگ درسرن از ۹۶تن هلیوم مایع برای حفظ دما در ۱٫۹کلوین استفاده می‌کند.[۱۳۱]
از آنجا که این عنصر از هوا سبک‌تر و دارای چگالی کمتری است، از زمان جنگ جهانی اول از هلیوم به عنوان گاز بالابر برای بالن‌ها، بالن‌های هواشناسی، کشتی‌های هوایی و چشمک زدن استفاده می‌شود و برای پروازکشتی‌های هوایی به گاز هلیوم رو آورده‌اند. استفاده از هلیوم به عنوان گاز بالابرنده اولین کاربرد هلیوم از زمان کشف آن بر روی زمین بود. در حالی که گاز هیدروژن بسیار شناور است و با سرعت کمتری از نفوذ به درون غشاء فرار می‌کند، هلیوم این مزیت را دارد که قابل اشتعال نیست و در واقعپیشگیرنده آتش است. کاربرد هلیوم در بالون‌ها بسیار شناخته‌شده است، اما این کاربرد، بخش کوچکی از مصرف این گاز است.[۱۳۲]
کاربرد دیگر هلیوم، در ساختراکت است. در این فرایند، هلیوم به عنوان یک ماده تخلیه کننده برای جابجایی سوخت و اکسید کننده‌ها در مخازن ذخیره‌سازی و چگالش کردن هیدروژن و اکسیژن برای ساختن پیشران راکت استفاده می‌شود. فضای خالی بالای مخزن سوخت از هلیوم پر می‌شود تا هم جابجایی سوخت و اکسیدکننده‌ها آسان‌تر شود و هم بتوان با آن هیدروژن و اکسیژن را فشرده کرد تا سوخت موشک به‌دست آید. همچنین برای پاک کردن سوخت و اکسیدکننده از تجهیزات پشتیبانی زمین قبل از پرتاب و برای خنک کردنهیدروژن مایع در وسایل نقلیه فضایی توسط آژانس‌های فضایی مانند آریاناسپاس و ناسا استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، موشکسترن ۵ که دربرنامه آپولو مورد استفاده قرار گرفت، حدود ۳۷۰٬۰۰۰ متر مکعب هلیوم نیاز داشت.[۳۸] همچنین در موشک‌های دلتا IV از هلیوم برای حفظ فشار در مخازن سوخت اکسیژن مایع استفاده می‌شد.[۱۳۳]
هلیوم، به دلیل دارا بودن بالاترین پتانسیل یونیزاسیون در بین عناصر در فرایندجوشکاری با قوس الکتریکی و جوشکاری قوس پلاسما بر روی موادی که در دمای جوشکاری در اثر تماس با هوا یا نیتروژن دچار آسیب می‌شوند، به عنوان لایهٔ محافظ یا پوشش عمل می‌کند.[۱۳] جو محافظ هلیوم در اطراف محل جوشکاری از اکسید شدن فلز در حالت مذاب جلوگیری می‌کند. همچنین پتانسیل یونیزاسیون بالای هلیوم امکان جوشکاری قوس پلاسما را برای فلزاتی مانندتیتانیوم،زیرکونیوم، منیزیم و آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در کشتی‌سازی و هوافضا فراهم می‌کند. تعدادی از گازهای محافظ بی اثر در جوشقوس الکتریکی تنگستن گازی استفاده می‌شود، اما هلیوم به جای گاز ارزان‌ترآرگون به خصوص برای جوشکاری‌هایی کهرسانندگی گرمایی بیشتری دارند؛ مانندآلومینیوم یامس استفاده می‌شود. از آنجا که هلیوم می‌تواند توسط آرگون یا هیدروژن جایگزین شود، اما برای جوشکاری قوس پلاسما برخی مواد مانند تیتانیوم نمی‌تواند جایگزین شود، زیرا هلیوم تنها گازی است که دارای فعالیت حرارتی به اندازه کافی بالا است تا ایمن باشد.[۱۳۴][۱۳۵]
انتخاب یک گاز محافظ به عوامل مختلفی از جمله نوع ماده در حال جوشکاری، طراحی اتصالات و شکل ظاهری نهایی جوش بستگی دارد. مخلوط‌های آرگون-هلیوم اغلب در جوشکاری تیگ مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا می‌توانند کنترل ورودی حرارتی را افزایش دهند در حالی که مزایای استفاده از آرگون را حفظ می‌کنند. به‌طور معمول، این مخلوط‌ها در درجه اول با هلیوم (غالباً حدود ۷۵٪ یا بالاتر) و تعادل آرگون ساخته می‌شوند. این مخلوط سرعت و کیفیت جوشکاری متناوب آلومینیوم و نفوذ جوش در یک اتصال را افزایش می‌دهند و همچنین برخورد با قوس را آسان می‌کنند. این نوع جوشکاری با عنوان جوشکاری هلیارک[ba] شناخته می‌شود.[۱۳۶]
یکی از کاربردهای صنعتی هلیوم، تشخیصنشت است زیرا هلیوم کمترین اندازه مولکولی را دارد و به همین ترتیب یک مولکول تک اتمی است و از طریق کوچک‌ترین نشتی به راحتی عبور می‌کند. از آنجا که هلیوم سه برابر سریعتر از هوا از طریق مواد جامدواپخش می‌شود، از آن به عنوان گاز ردیاب برای تشخیص نشت در تجهیزات با خلاء بالا (مانند مخازن کرایوژنیک) و ظروف با فشار بالا استفاده می‌شود.[۱۳۷] شی مورد آزمایش در محفظه‌ای قرار می‌گیرد و سپس از هوا تخلیه و با هلیوم پر می‌شود. هلیوم که از طریق نشتی فرار می‌کند، توسط یک دستگاه حساس (طیف‌سنج جرمی هلیوم) شناسایی می‌شود. دقت این ابزار بسیار زیاد است و به۹-۱۰ میلی‌بار در لیتر برثانیه (mbar×L/s) یا۱۰-۱۰ پاسکال. مترمکعب بر ثانیه (Pa×m۳/s) هم می‌رسد. روش اندازه‌گیری معمولاً اتوماتیک است وتست انتگرال هلیوم[bb] نامیده می‌شود. یک روش ساده‌تر، پر کردن جسم آزمایش شده با هلیوم و جستجوی دستی نشت‌ها با یک وسیله دستی است.[۱۳۸]
هلیومی که از ترک‌های یک وسیله می‌گذرد را نباید با نفوذ گاز از بدنهٔ ماده اشتباه گرفت.ثابت نفوذ[bc] هلیوم از درون بدنهٔ موادی مانند شیشه، سرامیک و مواد آزمایشگاهی، مشخص و ضریب گذر آن قابل محاسبه است با این‌حال، بیشترگازهای بی‌اثر مانند هلیوم، نمی‌توانند از بدنهٔ اغلب فلزات عبور کنند. هلیوم برای تشخیص نشت در موشک‌ها، مخازن سوخت، مبادلات حرارتی، خطوط گاز، دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، لوله‌های تلویزیون و سایر اجزای تولید شده فراهم می‌کند. هلیوم برای تشخیص نشت برای اولین بار در طیپروژه منهتن برای یافتن نشت در غنی‌سازی اورانیوم استفاده شد.[۱۳۹]
هلیوم به دلیل حلالیت بسیار کم در آب و خون به عنوان گاز غواصی در عمق آب زیر ۳۰ متر استفاده می‌شود. به‌عنوان یک گاز استنشاقی، هلیوم فاقداثرات خواب‌آلودگی است و برای جلوگیری تجمع نیتروژن در خون، به جای مخلوط‌های تنفسی ازت-اکسیژن از مخلوط گازهای حاوی هلیوم مانند تریمیکس،[bd]هلیوکس و هلی‌ایر،[be] برای غواصی در آب‌های عمیق[bf] استفاده می‌شود که به موجب آنخواب‌آلودگی غواص در اعماق بیشترِ آب، کنترل می‌شود. علاوه بر این هلیوم باعث خوردگی تجهیزات نمی‌شود و سمی نیست.[۱۴۰][۱۴۱] هرچه با افزایش عمق، فشار آب افزایش می‌یابد، چگالی گاز تنفسی نیز افزایش می‌یابد. برای حل این مشکل و تنفس آسان‌ترِ مخلوطِ گاز تنفسی، حضور هلیوم باجرم مولکولی کم، به‌طور قابل ملاحظه‌ای مؤثر است. اضافه شدن هلیوم به مخلوط گاز تنفسی، موجب کاهشعدد رینولدز می‌شود که در نتیجه جریان آشفتگی کاهش وجریان آرام افزایش می‌یابد و تنفس آسان می‌گردد.[۱۴۲][۱۴۳] غواصانی که در عمق‌های بیشتر از ۱۵۰ متر (۴۹۰ فوت) از سطح دریا، مخلوطی از هلیوم-اکسیژن را تنفس می‌کنند، دچار لرزش و کاهش عملکرد حرکتی می‌شوند که از نشانه‌های سندرم عصبی فشار بالا[bg] است.[۱۴۴] این اثر ممکن است تا حدی با استفاده از افزودن مقداری از گازهای خواب‌آور مانند هیدروژن یا نیتروژن به مخلوط هلیوم-اکسیژن، کاهش یابد.[۱۴۵]
هلیوم به عنوان واسطه انتقال گرما در راکتورهای هسته‌ای نسل جدید استفاده می‌شود و دارای چندین مزیت به عنوان محیط انتقال گرما است. هلیوم به‌علت واکنش ناپذیری و هدایت گرمایی بالا، شفافیت نوترونی و همچنین به‌این علت که در رآکتورها موجب تشکیل ایزوتوپ‌های پرتوزا نمی‌شود، به‌عنوان یک محیط انتقال حرارت در برخی ازرآکتورهای هسته‌ای سرد شده با گاز[bh] استفاده می‌شود به طوری که یکی از کارآمدترین گاز انتقال گرما است. علاوه بر این هلیوم باعث خوردگی نمی‌شود و از نظر رادیولوژی بی اثر است (بدون ایزوتوپ رادیواکتیو) و بر ضریب ضریب نوترون تأثیر نمی‌گذارد. نیروگاه‌های هسته‌ای با هلیوم به عنوان محیط انتقال گرما دارای بازده و دمای عملیاتی بالاتر هستند.[۱۳۷]
لیزر هلیوم–نئون،[bi] نوعیلیزر گازی حاوی مخلوطی از ۹۰٪ هلیوم و ۱۰٪ نئون است.
هلیوم در لیزرها و روشنایی استفاده می‌شود. هلیوم به گازتشدیدگر در لیزرهای گازی مانند لیزر هلیوم-نئون و لیزر CO۲ و لیزرهای بخار فلز مانند لیزر بخار فلز هلیوم-کادمیوم اعمال می‌شود. لیزرهای مختلف با هلیوم برای کاربردهای مختلف مانند تحقیقات علمی، تداخل‌سنجی، هولوگرافی، طیف‌سنجی، اسکن بارکد، ترازبندی، جراحی لیزر چشم، نمایش‌های نوری، برنامه‌های چاپ و حروفچینی، جوشکاری و برش استفاده می‌شود. به‌علاوه از هلیوم به عنوان گاز فعال در لامپ‌های تخلیه گاز استفاده می‌شود. هلیوم رنگ‌هایی طیف سفید تا نارنجی منتشر می‌کند. لامپ‌های تخلیه گاز هلیوم توسط هنرمندان برای روشنایی با اهداف خاص استفاده می‌شود.[۱۴۶] لیزرهای هلیوم-نئون، لیزرهایی با توان کم و پرتویی قرمز رنگند که کاربردهای عملی متنوعی مانندبارکدخوان واشاره‌گر لیزری دارند. البته امروزه این لیزرها، تقریباً در سراسر دنیا با لیزر ارزان‌تری با ناملیزر دیودی جایگزین شده‌اند.[۱۳]
هلیوم به دلیل ویژگی واکنش‌ناپذیری و هدایت گرمایی بالا به عنوان گاز محافظ برای رشد کریستال‌هایسیلیسیم وژرمانیوم، در تولید تیتانیوم وزیرکونیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد.[۳۸] همچنین به دلیل داشتن ویژگی‌های نزدیک به طبیعتگاز ایده‌آل،سرعت بالای صدا در آن و نسبت ظرفیت گرمایی بالا، درتونل باد فراصوتی وآزمون افزایش ناگهانی آنتالپی[bj][توضیح ۶] کاربرد دارد.[۱۴۷][۱۴۸] سن سنگ‌ها وترکیب معدنی حاویاورانیوم وتوریوم را می‌توان با اندازه‌گیری سطح هلیوم با فرایندی موسوم بهتاریخ‌گذاری هلیوم تخمین زد.[۱۳][۱۴] هلیوم یک گاز حامل متداول برایکروماتوگرافی گازی است.[۱۴۹] کروماتوگرافی اصطلاحی است که برای تکنیک‌های آزمایشگاهی در جداسازی مواد به‌طور گسترده‌ای برای تجزیه و تحلیل کمی و کیفی در فرایندها به کار می‌رود.[۱۵۰][۱۵۱]
هلیوم در ساخت صفحه‌های LCD و در حین پردازش تراشه‌های نیمه‌رسانا به عنوان گاز محافظ،[۱۵۲][۱۵۳]و در هنگام تولید کابل فیبر نوری به عنوان خنک‌کننده کاربرد دارد.[۱۵۴][۱۵۵][۱۵۶]استفاده از هلیوم به دلیلضریب شکست بسیار پایین، اثرات تحریف کننده تغییرات دما در فضای بینلنزها را در بعضی ازتلسکوپ‌ها کاهش می‌دهد.[۱۴] این روش به ویژه در تلسکوپ‌های خورشیدی که در آن لوله تلسکوپ خلاء خیلی سنگین است استفاده می‌شود.[۱۵۷][۱۵۸][۱۵۹]از آن به عنوان گاز حامل پودر برای پاشش حرارتی و پاشش سرما استفاده می‌شود. پاشش حرارتی و پاشش سرما که به آن سمپاشی فلزی نیز گفته می‌شود، فرآیندهای پوشش سطحی است که می‌توان طیف وسیعی از فلزات و سرامیک‌ها را با سرعت زیاد بر روی سطح ماده دیگر پاشید تا پوشش‌های فلزی ایجاد شود.[۱۶۰][۱۶۱]
هلیوم در آوریل ۲۰۲۰ برای استفاده‌های پزشکی در ایالات متحده برای انسان و حیوانات مورد تأیید قرار گرفت.[۱۶۲][۱۶۳] استنشاق گاز هلیوکس (ترکیبی از گازهای اکسیژن و هلیوم) موجب کاهش مقاومت در مقابل عبور جریان هوا در زمان تنفس می‌شود. اثرات مفید این موضوع در بیماران مبتلا بهآسم، مشکلات حاد تنفسی وبرونشیت ملاحظه شده است.[۱۶۴]همچنین از آن در رآکتور فلورید مایع توریم،[۱۶۵][۱۶۶] پمپ حرارتی ترموآکوستیک،[۱۶۷][۱۶۸] ساخت برخی ازهارد دیسک‌ها استفاده می‌شود.[۱۶۹][۱۷۰][۱۷۱]
آیا در اجرای این پرونده مشکلی دارید؟ راهنمای رسانه را ببینید.
هلیوم طبیعی در شرایط استاندارد، آسیب‌رسان نیست. مقادیر بسیار اندکی از این ماده در خون انسان پیدا می‌شود. تنفس هلیوم به‌جای اکسیژن، می‌تواند منجر بهخفگی شود.[۳۸]سرعت صوت در هلیوم نزدیک به سه برابر سرعت آن در هوا است. از طرفیبسامد پایه طبیعی مجرای پر شده با گاز، با سرعت صوت در آن گاز متناسب است؛ بنابراین، هنگامی که فرد گاز هلیوم را تنفس می‌کند، به علت سرعت بیشتر حرکت صدا در گاز هلیوم در مقایسه با هوای معمولی، بسامد تولیدی توسطمجرای صوتی فردتشدید می‌شود که این خود موجب تقویت فرکانس صدای فرد می‌شود.[۱۳][۱۷۲] در صورت استنشاق گازهای سنگین‌تر از هوا مانندهگزا فلوراید گوگرد یازنون، عکس حالت فوق رخ می‌دهد؛ به‌طوری که از فرکانس صدای فرد به‌خاطر کاهش سرعت صوت در این گازها، کاسته می‌شود. اگرچه این عنصر از نظر شیمیایی بی اثر است، اما آلودگی هلیوم باعث اختلال در عملکردسامانه میکرو الکترومکانیکی می‌شود.[۱۷۳]
تنفس بیش از حد هلیوم می‌تواند خطرناک باشد؛ زیرا هلیوم یکآسفیکسی[bk][توضیح ۷] ساده است و اکسیژن مورد نیاز برای تنفس طبیعی را جابجا می‌کند. در پی غیرعادی شدنتنفس، رسیدناکسیژن به بدن با دشواریِ بسیار جدی روبه‌رو می‌شود.[۱۳][۱۷۴] گزارش‌هایی از مرگ میر بر اثر تنفس هلیوم وجود دارد مثلاً در سال ۲۰۰۳ در ونکوور یک جوان و در سال ۲۰۰۶ در فلوریدای جنوبی دو بزرگسال به همین دلیل مردند.[۱۷۵][۱۷۶] در سال ۱۹۹۸ درویکتوریا، استرالیا دختری به دلیل تنفس کل محتوای یک بادکنک مهمانی حاوی هلیوم بی‌هوش شد و به‌طور موقت دچارکبودی شد.[۱۷۷][۱۷۸][۱۷۹] تنفس هلیوم به‌طور مستقیم از سیلندرهای تحت فشار یا حتی شیرهای پر کننده بادکنک بسیار خطرناک است، زیرا سرعت و فشار زیاد جریان می‌تواند منجر بهباروتروما و پارگی کشنده بافت ریه شود.[۱۸۰]
مرگ ناشی از هلیوم نادر است. اولین پرونده ثبت شده در رسانه‌ها مربوط به یک دختر ۱۵ ساله و اهلتگزاس بود که در سال ۱۹۹۸ در اثر تنفس هلیوم در مهمانی یکی از دوستانش درگذشت. نوع دقیق مرگ هلیوم مشخص نیست.[۱۷۷][۱۷۸][۱۷۹]در ایالات متحده بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ مرگ دو نفر گزارش شده است، از جمله مردی که در سال ۲۰۰۲ در کارولینای شمالی در اثر باروتروما درگذشت.[۱۷۵][۱۸۰] در سال ۲۰۰۳ درونکوور، جوانی دچارآسپیراسیون ریوی شد و یک مرد ۲۷ ساله نیز در استرالیا بعد از تنفس از یک کپسول هلیوم در سال ۲۰۰۰ دچارآمبولی شد.[۱۸۱][۱۸۲][۱۸۳] سال ۲۰۱۳ در میشیگان نیز دختری بر اثرهیپوکسی درگذشت.[۱۸۴] در ۲۸ ژانویه، یکی از اعضای یک گروه موزیک ژاپنی، هنگام ضبطبرنامه تلویزیونی پس از تنفس هلیوم در حین ضبط دچارآمبولی هوا شد و بهکما رفت. این حادثه تا یک هفته بعد؛ یعنی ۴ فوریه ۲۰۱۵ علنی نشد.[۱۸۵][۱۸۶]
موارد ایمنی هلیوم کرایوژنیک مشابه موارد بانیتروژن مایع است. دمای بسیار پایین آن می‌تواند منجر بهسوختگی سرما شود و در صورت عدم نصب وسایل فشارسنج، نسبت انبساط مایع به گاز می‌تواند باعث انفجار شود. ظروف گاز هلیوم در دمای ۵ تا ۱۰ کلوین به دلیلانبساط حرارتی سریع و قابل توجه که هنگام گرم شدن گاز هلیوم در کمتر از ۱۰ کلوین به دمای اتاق می‌رسد باید به گونه‌ای به کار گرفته شوند که گویی حاوی هلیوم مایع هستند.[۳۸] اوت ۲۰۲۰ یک مخزن هلیوم که درون کیسه زباله خانگی گذاشته شده بود هنگام ورود به دستگاه جمع‌کننده زباله در اثر برخورد منفجر و بقایای مخزن تا ۱۰۰ فوت دورتر از کمپکتور پراکنده شده بود.[۱۸۷]
در فشارهای بالا (بیش از حدود ۲۰ اتمسفر یا دومگاپاسکال)، مخلوطی از هلیوم و اکسیژن (هلیوکس) می‌تواند منجر به سندرم عصبی با فشار بالا، نوعی اثر بی‌حس کننده معکوس شود. اضافه کردن مقدار کمی ازت به مخلوط می‌تواند مشکل را کاهش دهد.[۱۸۸][۱۴۴]
در ژوئیه ۲۰۱۲، در دانشگاه نبراسکا، یک ابزار تشدید مغناطیسی هسته‌ای ۶۰۰ مگاهرتزی را که برای مطالعه ساختارهای مولکولی استفاده می‌شد به دلیل نشت هلیوم از دست داد. با کاهش مقدار هلیوم و تأمین نشدن مقدار از دست رفته، باقی‌مانده آن ناگهان جوشید و یک آهنربای پیچیده ۵۰۰٬۰۰۰ دلاری به انبوهی از آشغال تبدیل شد. برای دانشمندان شیمی تجزیه که به هلیوم به عنوان گاز حامل کروماتوگرافی گازی و طیف‌سنجی جرمی وابسته هستند، استفاده از هیدروژن و اتخاذ استراتژی‌های حفاظت از هلیوم در حال تبدیل شدن به رویکردهای عملی هستند.[۱۸۹]
↑برخی از پژوهشگران معتقدند که بهتر است هلیوم به‌جای اینکه روی گروه گازهای نجیب قرار داده شود، بالای عنصر بریلیوم و گروه فلزات قلیایی خاکی قرار داده شود. آرایش الکترونی، روند پتانسیل یونش و الکترون خواهی، واکنش‌پذیری، مقایسه ترکیبات شیمیایی و ساختار بلوری آن از دلایلی است که برای این ایده برشمرده می‌شود.[۵][۶][۷][۸][۹] با این‌حال، اغلب شیمی‌دان‌ها، ترجیح می‌دهند که هلیوم به‌خاطر داشتن بی‌میلی شیمیایی عجیب و فوق‌العاده نزدیکش به گازهای نجیبی مانند نئون و آرگون، بر روی نئون و گروه گازهای نجیب قرار داشته باشد.[۱۰]
↑زمانی که یک ماده ابرشاره توسط امواج گرم می‌شود، انبساط موجب افزایش و توسعه سطح مایع و در نتیجه ایجاد یک چشمه می‌شود.
↑پدیده‌ای در مکانیک کوانتومی که در آن انتقال گرما، برخلاف روش معمول و متداولواپخش، به‌صورت موج‌مانند انجام می‌شود.
↑هسته دارای هاله، به هسته‌ای گفته می‌شود که توسط ابری هاله مانند از پروتون یا نوترون احاطه شده است و درنتیجه بزرگ‌تر از یک هسته معمولی و فاقد هاله دیده می‌شود.
↑ترکیبی یونی که الکترون به‌عنوان یون منفی آن است. ترکیب [Na(NH۳)۶]+,e− یک الکترید است.
↑گازی که به‌خاطر داشتن چگالی کمتر از گازهای موجود در جو زمین، در جو زمین به بالا می‌رود.
↑آزمون افزایش ناگهانی آنتالپی، آزمونی برای بررسی شرایط جریانآیرودینامیک، حرارت‌دهی آیرودینامیک، ورود مجدد به جو زمین، احتراق، سینتیک شیمیایی،بالستیک و دیگر اثرات است.
↑گاز آسیفیکس، گازی است غیرسمی یا دارای سمیت کم که موجب کاهش غلظت یا جایگزینی اکسیژن موجود در هوای مورد تنفس است.
↑Shuen-Chen Hwang, Robert D. Lein, Daniel A. Morgan (2005). "Noble Gases".Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley. pp. 343–383.doi:10.1002/0471238961.0701190508230114.a01.
↑Bent Weberg, Libby (18 January 2019).""The" periodic table".Chemical & Engineering News.97 (3). Archived fromthe original on 1 February 2020. Retrieved27 March 2020.
↑Kirk, Wendy L."Cleveite [not Clevite] and helium".Museums & Collections Blog. University College London.Archived from the original on 18 October 2018. Retrieved18 August 2017.
↑Kochhar, R. K. (1991). "French astronomers in India during the 17th – 19th centuries".Journal of the British Astronomical Association.101 (۲): 95–100.Bibcode:1991JBAA..101...95K.
↑"helium (n.)". Archived fromthe original on 27 August 2020. Retrieved27 August 2020.1868, coined from Greek hēlios "sun" (from PIE root *sawel- "the sun")
↑Thomson, William (August 3, 1871)."Inaugural Address of Sir William Thomson".Nature.4 (92): 261–278 [268].Bibcode:1871Natur...4..261..doi:10.1038/004261a0.PMC2070380.Archived from the original on December 2, 2016. RetrievedFebruary 22, 2016.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
↑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 (347–352): 65–67.doi:10.1098/rspl.1895.0006.
↑Ramsay, William (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I".Proceedings of the Royal Society of London.58 (347–352): 80–89.doi:10.1098/rspl.1895.0010.
↑Ramsay, William (1895). "Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part II--".Proceedings of the Royal Society of London.59 (1): 325–330.doi:10.1098/rspl.1895.0097.
↑(آلمانی)Langlet, N. A. (1895). "Das Atomgewicht des Heliums".Zeitschrift für anorganische Chemie(به آلمانی).10 (1): 289–292.doi:10.1002/zaac.18950100130.
↑Weaver, E.R. (1919). "Bibliography of Helium Literature".Industrial & Engineering Chemistry.
↑Pat Munday (1999). John A. Garraty and Mark C. Carnes (ed.).Biographical entry for W.F. Hillebrand (1853–1925), geochemist and U.S. Bureau of Standards administrator in American National Biography. Vol. 10–11. Oxford University Press. pp. 808–809, 227–228.
↑Weiss, Ray F. (1971). "Solubility of helium and neon in water and seawater".J. Chem. Eng. Data.16 (2): 235–241.doi:10.1021/je60049a019.
↑Scharlin, P. ; Battino, R. Silla, E. ; Tuñón, I. ; Pascual-Ahuir, J. L. (1998). "Solubility of gases in water: Correlation between solubility and the number of water molecules in the first solvation shell".Pure & Appl. Chem.70 (10): 1895–1904.doi:10.1351/pac199870101895.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:نام‌های متعدد:فهرست نویسندگان (link)
↑PubChem."Helium".PubChem(به انگلیسی). Archived fromthe original on 2 February 2021. Retrieved2021-02-20.
↑Stone, Jack A. ; Stejskal, Alois (2004). "Using helium as a standard of refractive index: correcting errors in a gas refractometer".Metrologia.41 (3): 189–197.Bibcode:2004Metro..41..189S.doi:10.1088/0026-1394/41/3/012.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:نام‌های متعدد:فهرست نویسندگان (link)
↑"Big Bang Nucleosynthesis".University of California, Los Angeles. 26 September 2012. Archived fromthe original on 13 January 2018. Retrieved27 August 2020.
↑۵۶٫۰۵۶٫۱Anderson, Don L. ; Foulger, G. R. ; Meibom, A. (۲۰۰۶-۰۹-۰۲)."Helium Fundamentals". MantlePlumes.org. Archived fromthe original on 8 February 2007. Retrieved2008-07-20.{{cite web}}: نگهداری یادکرد:نام‌های متعدد:فهرست نویسندگان (link)
↑"Lunar Mining of Helium-3". Fusion Technology Institute of the University of Wisconsin-Madison. ۲۰۰۷-۱۰-۱۹. Archived fromthe original on 9 June 2010. Retrieved2008-07-09.
↑Hiby, Julius W. (1939). "Massenspektrographische Untersuchungen an Wasserstoff- und Heliumkanalstrahlen (H+ 3,H− 2,HeH+ ,HeD+ ,He− )".Annalen der Physik.426 (5): 473–487.Bibcode:1939AnP...426..473H.doi:10.1002/andp.19394260506.
↑Saunders, Martin; Jiménez-Vázquez, Hugo A.; Cross, R. James; Mroczkowski, Stanley; Freedberg, Darón I.; Anet, Frank A. L. (1994). "Probing the interior of fullerenes by3He NMR spectroscopy of endohedral3He@C60 and3He@C70".Nature.367 (6460): 256–258.Bibcode:1994Natur.367..256S.doi:10.1038/367256a0.
↑Vos, W. L.; Finger, L. W.; Hemley, R. J.; Hu, J. Z.; Mao, H. K.; Schouten, J. A. (1992). "A high-pressure van der Waals compound in solid nitrogen-helium mixtures".Nature.358 (6381): 46–48.Bibcode:1992Natur.358...46V.doi:10.1038/358046a0.
↑Dong, Xiao; Oganov, Artem R.; Goncharov, Alexander F.; Stavrou, Elissaios; Lobanov, Sergey; Saleh, Gabriele; Qian, Guang-Rui; Zhu, Qiang; Gatti, Carlo; Deringer, Volker L.; Dronskowski, Richard; Zhou, Xiang-Feng; Prakapenka, Vitali B.; Konôpková, Zuzana; Popov, Ivan A.; Boldyrev, Alexander I.; Wang, Hui-Tian (2017). "A stable compound of helium and sodium at high pressure".Nature Chemistry.9 (5): 440–445.arXiv:1309.3827.Bibcode:2017NatCh...9..440D.doi:10.1038/nchem.2716.ISSN1755-4330.PMID28430195.
↑Lie-Svendsen, Ø.; Rees, M. H. (1996). "Helium escape from the terrestrial atmosphere: The ion outflow mechanism".Journal of Geophysical Research.101 (A2): 2435–2444.Bibcode:1996JGR...101.2435L.doi:10.1029/95JA02208.
↑Strobel, Nick (2007)."Atmospheres".Nick Strobel's Astronomy Notes.Archived from the original on 2010-09-28. Retrieved2007-09-25.
↑Hobart M. King."Uraninite".Geology.com. Archived fromthe original on 21 September 2020. Retrieved1 September 2020.
↑R. J. Strutt."Helium and Radio-Activity in Rare and Common Minerals".Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character.80 (542): 572–594. Archived fromthe original on 4 December 2020. Retrieved1 September 2020.
↑McFarland, D. F. (1903). "Composition of Gas from a Well at Dexter, Kan".Transactions of the Kansas Academy of Science.19: 60–62.doi:10.2307/3624173.JSTOR3624173.
↑Cady, H. P.; McFarland, D. F. (1906). "Helium in Kansas Natural Gas".Transactions of the Kansas Academy of Science.20: 80–81.doi:10.2307/3624645.JSTOR3624645.
↑Eugene Emme, ed. (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, D.C.:NASA. pp. 11–19. Archived fromthe original on 14 July 2019. Retrieved30 June 2020.
↑Hilleret, N. (1999)."Leak Detection". In S. Turner (ed.).CERN Accelerator School, vacuum technology: proceedings: Scanticon Conference Centre, Snekersten, Denmark, 28 May – 3 June 1999. Geneva, Switzerland:CERN. pp. 203–212. Archived fromthe original(PDF) on 15 July 2019. Retrieved30 June 2020.At the origin of the helium leak detection method was the Manhattan Project and the unprecedented leak-tightness requirements needed by the uranium enrichment plants. The required sensitivity needed for the leak checking led to the choice of a mass spectrometer designed by Dr. A.O.C. Nier tuned on the helium mass.
↑Williamson, John G. (1968). "Energy for Kansas".Transactions of the Kansas Academy of Science.71 (4): 432–438.doi:10.2307/3627447.JSTOR3627447.
↑"Conservation Helium Sale"(PDF).Federal Register.70 (193): 58464. 2005-10-06.Archived(PDF) from the original on 2008-10-31. Retrieved2008-07-20.
↑Mullins, P. V.; Goodling, R. M. (1951).Helium. Bureau of Mines / Minerals yearbook 1949. pp. 599–602.Archived from the original on 2008-12-06. Retrieved2008-07-20.
↑Kaplan, Karen H. (June 2007). "Helium shortage hampers research and industry".Physics Today. American Institute of Physics.60 (6): 31–32.Bibcode:2007PhT....60f..31K.doi:10.1063/1.2754594.
↑Basu, Sourish (October 2007). Yam, Philip (ed.)."Updates: Into Thin Air".Scientific American. Vol. 297, no. 4. Scientific American, Inc. p. 18. Archived fromthe original on 2008-12-06. Retrieved2008-08-04.
↑Pierce, A. P. , Gott, G. B. , and Mytton, J. W. (1964). "Uranium and Helium in the Panhandle Gas Field Texas, and Adjacent Areas", Geological Survey Professional Paper 454-G, Washington:US Government Printing Office
↑Belyakov, V. P.; Durgar'yan, S. G.; Mirzoyan, B. A. (1981). "Membrane technology—A new trend in industrial gas separation".Chemical and Petroleum Engineering.17 (1): 19–21.doi:10.1007/BF01245721.
↑۱۲۵٫۰۱۲۵٫۱۱۲۵٫۲Council, N.R.; Systems, C.E.T.; Board, N.M.A.; Commission on Physical Sciences, M.A.; Astronomy, B.P.; Reserve, C.I.S.F.H. (2000).The Impact of Selling the Federal Helium Reserve. Compass series(به انگلیسی). National Academies Press. p. 28. Retrieved2021-01-03.
↑Belcher, James R.; Slaton, William V.; Raspet, Richard; Bass, Henry E.; Lightfoot, Jay (1999). "Working gases in thermoacoustic engines".The Journal of the Acoustical Society of America.105 (5): 2677–2684.Bibcode:1999ASAJ..105.2677B.doi:10.1121/1.426884.PMID10335618.
↑Makhijani, Arjun; Gurney, Kevin (1995).Mending the Ozone Hole: Science, Technology, and Policy. MIT Press.ISBN978-0-262-13308-1.
↑Fuller, M.; Goree, W. S.; Goodman, W. L. (1985).An Introduction to the Use of SQUID Magnetometers in Biomagnetism(به انگلیسی). Boston, MA: Springer US. p. 103–151.doi:10.1007/978-1-4613-0313-8_4.ISSN0275-0120.
↑Schoenung, Susan M.; Loyd, Robert J.; Nakamura, Takashi; Rogers, John D.; Purcell, John R. (1986).Liquid Helium Dump Concept for A Large Scale Superconducting Magnetic Energy Storage Plant(به انگلیسی). Boston, MA: Springer US. p. 121–129.doi:10.1007/978-1-4613-2213-9_13.
↑Mcintosh, G. E.; Eyssa, Y. M.; Abdelsalam, M. K.; Boom, R. W.; Gallagher, T. A.; Poirier, R. N.; Shah, J. M.; Bilton, J. R.; Garrity, T. F.; Hilal, M. A. (1988).Protection System for Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)(به انگلیسی). Boston, MA: Springer US. p. 203–210.doi:10.1007/978-1-4613-9874-5_25.ISSN0065-2482.
↑Grob, Konrad (1997)."Carrier Gases for GC".Restek Advantage, Restek Corporation. Archived fromthe original on 6 August 2020. RetrievedMarch 9, 2016.
↑Tsujita, Akira; Okazaki, Hidehiko; Nagasaka, Asami; Gohda, Akinaga; Matsumoto, Mitsushi; Matsui, Toshiro (2018-08-13). "A new and sensitive method for quantitative determination of helium in human blood by gas chromatography–mass spectrometry using naturally existing neon-21 as internal standard".Forensic Toxicology(به انگلیسی). Springer Science and Business Media LLC.37 (1).doi:10.1007/s11419-018-0437-6.ISSN1860-8965.
↑West, D.L.; Savannah River Laboratory; U.S. Atomic Energy Commission (1959).Determination of Deuterium, Oxygen, and Nitrogen in Helium by Gas Chromatography. AEC research and development report(به انگلیسی). E.I. du Pont de Nemours & Company, Explosives Department, Atomic Energy Division, Technical Division, Savannah River Laboratory. p. 4. Retrieved2021-01-03.
↑Kim, Dong Joo; Oh, Il Seok; Kwak, Ho Sang; Kim, Kyoung Jin (2012-02-12). "Helium-Injection Cooling of Hot Silica Glass Fiber in Optical Fiber Manufacturing System".Applied Mechanics and Materials(به انگلیسی). Trans Tech Publications, Ltd. 157–158.doi:10.4028/www.scientific.net/amm.157-158.1301.ISSN1662-7482.
↑Kim, Kyoungjin; Kwak, Ho Sang; Kim, Dongjoo (2012). "THE ROLE OF HELIUM/ARGON GAS FLOW IN A GLASS FIBER DRAWING FURNACE".Computational Thermal Sciences(به لیتوانیایی). Begell House.4 (3).doi:10.1615/computthermalscien.2012004538.ISSN1940-2503.
↑Lemke, D.; Klipping, G.; Römisch, N. (1978).Liquid Helium-Cooled Infrared Telescope for Astronomical and Atmospherical Measurements from Spacelab(به انگلیسی). Boston, MA: Springer US. p. 628–633.doi:10.1007/978-1-4613-4039-3_77.
↑Ozdemir, Ozan C.; Widener, Christian A.; Helfritch, Dennis; Delfanian, Fereidoon (2016-03-08). "Estimating the Effect of Helium and Nitrogen Mixing on Deposition Efficiency in Cold Spray".Journal of Thermal Spray Technology(به انگلیسی). Springer Science and Business Media LLC.25 (4).doi:10.1007/s11666-016-0394-8.ISSN1059-9630.
↑Juhasz, Albert.High Effieciency Nuclear Power Plants Using Liquid Fluoride Thorium Reactor Technology. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics.doi:10.2514/6.2008-5699.ISBN978-1-60086-996-9.
↑Tijani, M.E.H.; Lycklama à Nijeholt, J.A. (2015).Bench scale electrically driven thermoacoustic heat pump. Enschede: University of Twente, Faculty of Engineering Technology, Laboratory of Thermal Engineering.doi:10.3990/2.310.ISBN978-90-365-3974-6.
↑Aruga, K.; Suwa, M.; Shimizu, K.; Watanabe, T. (2007-09-12). "A Study on Positioning Error Caused by Flow Induced Vibration Using Helium-Filled Hard Disk Drives".IEEE Transactions on Magnetics(به انگلیسی). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).43 (9).doi:10.1109/tmag.2007.902983.ISSN0018-9464.
↑Grassberger, Martin; Krauskopf, Astrid (2007). "Suicidal asphyxiation with helium: Report of three cases Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle".Wiener Klinische Wochenschrift(به آلمانی و انگلیسی).119 (9–10): 323–325.doi:10.1007/s00508-007-0785-4.PMID17571238.
↑"Coping With The Helium Shortage".Chemical & Engineering News Archive(به انگلیسی). American Chemical Society (ACS).91 (5). 2013-02-03.doi:10.1021/cen-09105-bus2.ISSN0009-2347.
_NIST_ASD_emission_spectrum.png)
.jpg)
.jpg)
