Helium (Jawi: هيليوم) adalah sejenisunsur kimia dengansimbolHe dannombor atom 2. Ia merupakangasmonoatom tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa, tidak beracun danlengai yang terletak di tempat teratas dalam kumpulangas adi (kumpulan 18) dalamjadual berkala. Helium mempunyaitakat didih danlebur yang terendah berbanding semua unsur lain serta wujud dalam bentuk gas kecuali dalam keadaan-keadaan ekstrem.
Helium adalah unsur kedua paling ringan dan keduaterbanyak di dalamalam semesta boleh cerap. Ia membentuk 24% daripada keseluruhan jisim unsur—12 kali ganda jisim kesemua unsur lain (kecualihidrogen) digabungkan. Peratusan kelimpahan helium di alam semesta adalah sama dengan peratusannya di dalamMatahari dan planetMusytari. Ini disebabkan olehtenaga pengikatan nuklear (setiapnukleon)helium-4 yang sangat tinggi berbanding dengan tenaga pengikatan nuklear bagi tiga unsur selepasnya. Tenaga pengikatan helium-4 ini juga menjelaskan kebiasaannya diperolehi daripadapelakuran nuklear danpereputan radioaktif. Kebanyakan helium di alam semesta ialah helium-4, dan ia dipercayai telah dihasilkan sewaktuLetupan Besar. Kini, helium yang baharu dihasilkan oleh pelakuran hidrogen di dalam teras bintang-bintang.
Helium dinamakan bersempena nama dewa Matahari dalam kepercayaan orang Yunani,Helios. Ia telah dikesan buat pertama kali melalui penemuan satugaris spektrum kuning yang tidak diketahui di dalam cahaya matahari sewaktugerhana matahari pada 1868 oleh seorang ahli falak Perancis,Jules Janssen. Janssen diberikan penghargaan kerana menemui helium bersama-sama denganNorman Lockyer. Janssen telah memerhati sewaktu kejadian gerhana matahari pada 1868 itu, sementara Lockyer memerhatikan dari Britain. Lockyer merupakan orang pertama yang mencadangkan yang garis spektrum baru itu disebabkan oleh satu unsur baru, yang beliau kemudiannya namakan.Penemuan unsur itu secara rasmi telah dibuat pada tahun 1895 oleh dua ahli kimia Sweden,Per Teodor Cleve danNils Abraham Langlet; mereka menemui unsur itu muncul daripada sejenis bijihuranium bernamakleveit (cleveite). Pada 1903, simpanan helium yang besar telah ditemui dimedan-medan gas asli di kawasan-kawasan Amerika Syarikat, yang sehingga hari ini menjadi pengeluar terbesar gas helium.
Helium digunakan dalamkriogenik (suku daripada jumlah pengeluaran digunakan dalam bidang ini, menjadikannya pengguna terbanyak helium), terutama sekali dalam penyejukanmagnet pengalir lampau (superconducting magnets), dan kegunaan komersialnya yang utama adalah di dalam pengimbasMRI. Kegunaan industri helium yang lain sebagai gas pemberi tekanan dan penyingkiran, serta sebagai atmosfera pelindung untukkimpalan arka dan di dalam proses-proses seperti penumbuhan kristal untuk menghasilkanwafer silikon, merangkumi separuh daripada penggunaan gas helium yang dihasilkan. Kegunaan kecil helium yang lebih diketahui ialah sebagai gas pengangkat di dalambelon dankapal udara.[2] Seperti mana gas-gas lain yang lebih ringan daripada udara, jika gas ini disedut sedikit, ia akan mengubah kedalaman suara manusia untuk seketika. Dalam kajian saintifik, perilaku dua fasa cecair helium-4 (helium I dan helium II) adalah penting kepada para pengkaji yang mengkaji tentangmekanik kuantum (lebih tepat lagi, ciri-cirikebendaliran lampau) dan juga kepada mereka yang memerhatikan fenomena yang suhu hampirsifar mutlak sebabkan padajirim, sepertikeberaliran lampau.
Di Bumi, gas ini agak jarang, dengan kelimpahan dalam atmosfera bumi hanya sebanyak 0.00052% mengikut isipadu. Kebanyakan helium dari Bumi yang wujud pada hari ini dihasilkan melaluipereputan radioaktif unsur-unsur radioaktif yang berat (torium danuranium).Zarah-zarah alfa yang dipancarkan dalam pereputan ini terdiri daripadanukelus-nukleus helium-4. Heliumradiogenik ini terperangkap dengangas asli, dengan kepekatan sehingga 7% mengikut isipadu. Dari situ, ia diekstrak secara komersial melalui proses pemisahan bersuhu rendah yang dinamakanpenyulingan berperingkat.
Bukti kewujudan helium yang pertama adalah satu garis spektrum kuning terang denganpanjang gelombang 587.49 nanometer di dalamspektrum pancarankromosferaMatahari yang telah ditemui pada 18 Ogos 1868 oleh ahli falak Perancis,Jules Janssen dalamgerhana matahari penuh diGuntur,India.[3][4] Garisan ini pada asalnya dianggap dipancarkan olehnatrium. Pada 20 Oktober pada tahun yang sama, ahli falak England,Norman Lockyer telah memerhatikan satu garis kuning dalam spektrum suria yang dinamakannyagaris Fraunhofer D3 kerana ia berada berdekatan dengan garis natrium D1 dan D2 yang telah diketahui.[5] Beliau merumuskan yang garisan itu disebabkan oleh satu unsur dalam Matahari yang belum ditemui di Bumi. Lockyer dan ahli kimia England,Edward Frankland menamakan unsur ini dengan perkataan Yunani untuk Matahari, ἥλιος (helios).[6][7][8]
Garis spektrum helium.
Pada tahun 1882, ahli fizik Itali,Luigi Palmieri telah mengesan helium diBumi buat kali pertama melalui garis spektrum D3 unsur itu. Beliau menemuinya ketika menganalisalava dariGunung Vesuvius.[9]
Pada 26 Mac 1895, ahli kimia Scotland,Sir William Ramsay telah mengasingkan helium di Bumi dengan merawat mineralkleveit (salah satu jenisbijih uranium dengan kira-kira 10%unsur nadir bumi) denganasid mineral. Ramsay sebenarnya sedang mencari gasargon, tetapi setelah beliau mengasingkannitrogen danoksigen daripada gas yang dibebaskan olehasid sulfurik, beliau telah menemui satu garis spektrum kuning yang serupa dengan garis D3 yang diperhatikan dalam spektrum Matahari.[5][10][11][12] Sampel ini dikenalpasti sebagai helium oleh Lockyer dan ahli fizik Britain,William Crookes. Ia juga telah diasingkan daripada kleveit pada tahun yang sama secara berasingan oleh ahli-ahli kimia bernamaPer Teodor Cleve danAbraham Langlet diUppsala,Sweden. Mereka telah mengumpul cukup banyak helium untuk menentukanberat atomnya.[4][13][14] Helium telah diasingkan oleh ahli geokimia Amerika,William Francis Hillebrand sebelum Ramsay melakukannya, apabila beliau menemui garisan-garisan spektrum yang luar biasa sewaktu menguji satu sampel mineral uraninit. Namun, beliau menganggap yang garisan-garisan itu dipancarkan oleh nitrogen. Hillebrand telah menghantar surat ucapan tahniah kepada Ramsay atas penemuannya. Satu kes "penemuan" dan "hampir ditemui" dalam sains dapat dilihat di sini.[15]
Pada 1907,Ernest Rutherford dan Thomas Royds telah menunjukkan yangzarah-zarah alfa terdiri daripadanukleus helium. Mereka telah mendemonstrasikannya dengan membenarkan zarah-zarah ini menembusi dinding kaca nipis satu tiub yang dikosongkan, lalu mengadakan satu nyahcas di dalam tiub tersebut untuk mengkaji spektrum gas baru didalamnya. Pada 1908, helium pertama kali dicecairkan oleh ahli fizik Belanda,Heike Kamerlingh Onnes, dengan menyejukkan gas itu ke suhu kurang daripada satukelvin.[16] Beliau turut mencuba untuk mengeraskan gas itu dengan terus mengurangkan suhu tetapi gagal kerana helium tidak mempunyai suhutitik tigaan di mana fasa pepejal, cecair dan gas berada dalam keseimbangan. Seorang pelajar Onnes,Willem Hendrik Keesom, akhirnya dapat mengeraskan 1 cm3 helium dengan mengenakan tekanan luaran tambahan.[17]
Selepas satu operasi menggerudi minyak diDexter, Kansas pada tahun 1903 mengeluarkan satu pancutan gas yang tidak boleh terbakar, ahli geologi negeri Kansas,Erasmus Haworth telah mengumpul contoh-contoh gas yang terlepas itu dan membawanya kembali keUniversiti Kansas di Lawrence. Dengan bantuan ahli-ahli kimiaHamilton Cady dan David McFarland, beliau telah menemui yang isipadu gas itu terdiri daripada 72% nitrogen, 15%metana (satu peratusan yangboleh terbakar jika adanya jumlah oksigen yang cukup), 1%hidrogen dan 12% gas yang tidak dikenalpasti.[4][20] Selepas analisis lanjut, Cady dan McFarland telah mendapati yang 1.84% sampel itu adalah gas helium.[21][22] Ini menunjukkan bahawa meskipun ia agak jarang di Bumi, helium tertumpu dalam kuantiti yang banyak di bawahDataran Besar Amerika, sedia untuk diekstrak sebagai bahan sampingan gas asli.[23]
Ini membolehkan Amerika Syarikat menjadi pembekal helium terbesar di dunia. Selepas satu cadangan oleh SirRichard Threlfall,Tentera Laut Amerika Syarikat telah menaja tiga logi helium percubaan kecil sewaktuPerang Dunia Pertama. Tujuannya adalah untuk membekalkanbelon-belon bedilan dengan gas yang lebih ringan daripada udara dan tidak boleh terbakar itu. Sejumlah 5,700 m3 gas dengan 92% helium telah dihasilkan sepanjang program tersebut, walaupun sebelum itu kurang daripada satu meter padu gas telah diperolehi.[5] Sebahagian daripada gas ini telah digunakan di dalam kapal udara helium pertama di dunia, C-7 milik Tentera Laut A.S., yang melalukan penerbangan pertamanya dariHampton Roads,Virginia keBolling Field,Washington D.C. pada 1 Disember 1921.[24]
Walaupun proses pengekstrakan helium yang menggunakanpencecairan gas pada suhu yang rendah tidak dibangunkan cukup awal untuk memberi kesan yang penting dalam Perang Dunia Pertama, pengeluaran tetap diteruskan. Helium digunakan terutamanya sebagaigas pengangkat di dalam kapal-kapal udara. Permintaan helium meningkat untuk kegunaan ini sewaktuPerang Dunia Kedua, begitu juga dengan permintaan untukkimpalan arka dihadang.Spektrometer jisim helium juga penting dalamProjek Manhattan yang menghasilkanbom-bom atom pertama dunia.[25]
Kerajaan Amerika Syarikat telah menubuhkanRizab Helium Kebangsaan diAmarillo, Texas pada tahun 1925 dengan tujuan untuk membekalkan helium kepadakapal-kapal udara tentera sewaktu perang dan kepada kapal-kapal udara komersial sewaktu damai.[5] Oleh kerana sekatan yang dikenakan oleh tentera Amerika Syarikat ke atas Jerman, bekalan helium kepada negara itu disekat danZeppelin-zeppelin Jerman sepertiHindenburg terpaksa menggunakan hidrogen sebagai gas pengangkat. Kegunaan helium selepasPerang Dunia Kedua berkurangan tetapi rizab ini dikembangkan pada tahun 1950-an untuk memastikan bekalan berterusanhelium cecair sebagai penyejuk untuk menghasilkanbahan api roket oksigen/hidrogen (dalam banyak-banyak kegunaan lain) sewaktuPerlumbaan Angkasa danPerang Dingin. Kegunaan helium di Amerika Syarikat pada tahun 1965 adalah kira-kira lapan kali ganda kegunaan puncak sewaktu masa perang.[26]
Selepas "Akta Pemindaan Helium 1960" (Undang-undang Awam 86-777),Biro Lombong-lombong A.S. telah menyusun lima loji swasta untuk mendapatkan helium daripada gas asli. Untuk programpemuliharaan helium ini, Biro ini telah membina satu talian paip sepanjang 684 km dariBushton,Kansas, untuk menyambungkan loji-loji swasta itu dengan medan gas Cliffside milik kerajaan yang hampir habis, berhampiran Amarillo, Texas. Campuran hidrogen-nitrogen ini disuntik dan disimpan di dalam medan gas Cliffside sehingga ia diperlukan; ketika itu barulah ia ditulenkan.[27]
Menjelang tahun 1995, satu bilion meter padu (109 m3) gas itu telah dikumpulkan dan rizab ini berhutang sebanyak US$1.4 bilion, dan ini memaksaKongres Amerika Syarikat untuk menghentikan rizab ini secara berperingkat pada 1996.[4][28] "Akta Penswastaan Helium 1996" yang terhasil[29] (Undang-undang Awam 104-273) mengarahkanJabatan Dalaman Amerika Syarikat untuk memulakan pengosongan rizab ini menjelang 2005.[30]
Helium yang telah dihasilkan antara 1930 hingga 1945 mempunyai ketulenan kira-kira 98.3% (2% nitrogen) yang sesuai untuk kapal-kapal udara. Pada 1945, sejumlah kecil helium berketulenan 99.9% telah dihasilkan untuk tujuan pengimpalan. Menjelang 1949, sejumlah helium komersial Gred A berketulenan 99.95% boleh didapati.[31]
Selama beberapa tahun, Amerika Syarikat telah menghasilkan lebih 90% helium boleh guna komersial di dunia, manakala bakinya dihasilkan di loji-loji pengekstrakan diKanada,Poland,Rusia dan beberapa negara lain. Pada pertengahan 1990-an, satu loji baru diArzew,Algeria memulakan operasi. Ia menghasilkan 17 juta meter padu helium, dan jumlah ini cukup untuk memenuhi permintaan helium Eropah. Sementara itu, menjelang tahun 2000, penggunaan helium di dalam Amerika Syarikat telah meningkat sehingga lebih 15 juta kilogram setahun.[32] Pada tahun 2004-2006, dua loji baru telah dibangunkan diRas Laffan,Qatar danSkikda, Algeria. Algeria dengan pantas menjadi penghasil helium kedua terbesar di dunia.[33] Sepanjang tempoh ini, penggunaan helium dan kos pengeluarannya telah meningkat.[34] Dalam tempoh masa antara 2002 hingga 2007, harga helium telah berganda.[35]
laser helium
Setakat 2012,Rizab Helium Kebangsaan Amerika Syarikat merangkumi 30 peratus helium seluruh dunia.[36] Rizab itu dijangka akan kehabisan helium pada tahun 2018.[36] Meskipun begitu, satu rang undang-undang yang diusulkan dalamSenat Amerika Syarikat akan membenarkan rizab ini untuk terus menjual helium. Rizab-rizab besar yang lain adalah diHugoton diKansas dan medan-medan gas berdekatan Kansas dan dipanhandleTexas danOklahoma. Loji-loji helium yang baru dijadualkan untuk dibuka pada tahun 2012 diQatar,Rusia dan negeriWyoming di Amerika Syarikat, namun pembukaan loji-loji ini tidak dijangka akan memulihkan kekurangan gas ini.[36]
Atom helium. Imej di atas menggambarkannukleus (merah jambu) dan penyebaranawan elektron (hitam). Nukleus (atas kanan) helium-4 sebenarnya simetri secara sfera dan amat sama dengan awan elektron, namun untuk nukleus-nukleus yang lebih rumit ia tidak selalunya begitu.
Dalam perspektifmekanik kuantum, helium ialahatom kedua paling ringkas untuk dimodelkan selepasatom hidrogen. Helium terdiri daripada dua elektron di dalamorbital atom yang mengelilingi satu nukleus yang mempunyai dua proton dan beberapa neutron. Seperti dalam mekanik Newton, tidak ada sistem dengan lebih daripada dua zarah boleh diselesaikan dengan pendekatan matematik analitik yang tepat (lihatmasalah tiga jasad) dan atom helium tidak terkecuali. Oleh itu, langkah matematik berangka diperlukan walaupun untuk menyelesaikan sistem dengan satu nukleus dan dua elektron.Kimia pengiraan seperti ini telah digunakan untuk membentuk satu gambaran mekanik kuantum untuk pengikatan elektron helium yang tepat sehingga <2% nilai yang sebenar, dalam beberapa langkah pengiraan.[37] Dalam model-model sebegini, telah didapati bahawa setiap elektron dalam helium menghalang secara separa nukleus atom daripada elektron yang lain, dan oleh itu cas nuklear berkesanZ yang dilihat oleh setiap elektron ialah kira-kira 1.69 unit dan bukannya 2 unit seperti yang nukleus helium klasik yang "terdedah".
Kestabilan nukleus helium-4 dan petala elektron yang berkaitan
Nukleus atom helium-4 adalah sama dengan satuzarah alfa. Uji kaji penyerakan elektron bertenaga tinggi menunjukkan yang casnya menurun secara eksponen daripada takat maksimum di titik tengah, tepat seperti mana kepadatan casawan elektron helium sendiri. Simetri ini menunjukkan fizik dasar yang sama: pasangan neutron dan pasangan proton dalam nukleus helium mengikuti peraturan mekanik kuantum yang sama dengan pasangan elektron helium (walaupun zarah-zarah nukleus tertakluk kepada kemampuan pengikatan nuklear yang berbeza), jadi semuafermion ini menduduki sepenuhnya orbital1s secara berpasangan, tiada satu pun fermion yang memiliki momentum sudutan orbit dan setiap satu membatalkan spin intrinsik yang lain. Jika salah satu daripada zarah-zarah ini ditambah, ia akan memerlukan momentum sudutan dan akan melepaskan tenaga yang lebih sedikit (malahan, tidak ada nukleus dengan lima nukleon yang stabil). Oleh itu, susunan ini adalah sangat stabil dari segi tenaga bagi zarah-zarah ini, dan kestabilan ini menerangkan pelbagai ciri helium dalam alam semula jadi.
Contohnya, awan elektron helium yang stabil dan rendah tenaganya menjelaskan kenadiran unsur itu serta kekurangan interaksi antara atom-atom helium yang menyebabkan helium mempunyai takat didih dan lebur yang paling rendah antara semua unsur kimia.
Dalam cara yang sama, kestabilan tenaga nukleus atom helium-4 yang disebabkan oleh kesan yang sama menjelaskan betapa mudahnya helium-4 dihasilkan dalam tindak balas atom seperti pemancaran zarah berat dan pelakuran. Ada beberapa atomhelium-3 yang stabil dihasilkan dalam tindak balas pelakuran hidrogen, tetapi jumlahnya amatlah kecil berbanding dengan jumlah helium-4 yang dihasilkan. Kestabilan helium-4 adalah sebab hidrogen ditukarkan kepada helium-4 (bukannyadeuterium atau helium-3 atau unsur-unsur yang lebih berat) dalam Matahari. Ia juga penyebab mengapazarah alfa ialah jenis zarah barion yang paling biasa dilenting daripada satu nukleus atom; dengan erti kata lain,pereputan alfa adalah lebih biasa daripadapereputan kluster.
Tenaga pengikatan setiap nukleon bagi isotop-isotop biasa. Tenaga pengikatan setiap zarah helium-4 adalah lebih besar daripada mana-mana nuklid yang berdekatan.
Kestabilan luar biasa helium-4 juga penting dari segi kosmologi: ia menjelaskan mengapa beberapa minit selepasLetupan Besar, sedang satu "sup" proton dan neutron bebas yang pada asalnya telah terhasil dalam nisbah 6:1 menyejuk sehingga pengikatan nuklear boleh terjadi, hampir semua nukleus atom gabungan yang pertama sekali terbentuk ialah helium-4. Ikatan helium-4 adalah sangat kuat sehingga penghasilan helium-4 memakan hampir semua neutron bebas dalam beberapa minit sebelum ia boleh mereput beta, dan turut meninggalkan beberapa untuk menghasilkan atom-atom yang lebih berat seperti litium, berilium atau boron. Pengikatan nuklear helium-4 setiap nukleon adalah lebih kuat daripada mana-mana unsur ini (lihatnukleosintesis dantenaga pengikatan). Justeru, setelah helium dihasilkan, tidak ada lagi pacuan tenaga yang ada untuk menghasilkan unsur 3, 4 dan 5. Helium lebih mudah melakur membentuk unsur seterusnya dengan tenaga yang lebih rendah setiapnukleon, karbon. Namun, oleh kerana kekurangan unsur-unsur pertengahan, proses ini memerlukan tiga atom helium melanggar satu sama lain hampir serentak (lihatproses alfa ganda tiga). Oleh itu, tidak ada cukup masa untuk jumlah karbon yang banyak terbentuk dalam minit-minit pertama selepas Letupan Besar sebelum alam semesta awal yang sedang berkembang menyejuk sehingga pelakuran helium kepada karbon tidak lagi boleh dilakukan. Ini menyebabkan alam semesta awal mempunyai nisbah hidrogen/helium yang sama seperti yang diperhatikan pada hari ini (3 bahagian hidrogen kepada 1 bahagian helium-4 mengikut berat), dengan hampir semua neutron di angkasa terkandung dalam helium-4.
Semua unsur yang lebih berat (termasuklah unsur-unsur yang perlu untuk membentuk planet berbatu seperti Bumi, dan untuk hidupan berasaskan karbon dan lain-lain) telah dihasilkan selepas Letupan Besar dalam bintang-bintang yang cukup panas untuk melakur helium. Semua unsur selain hidrogen dan helium merangkumi hanya 2% jisim atom alam semesta. Sebaliknya, helium-4 membentuk 23% jirim biasa alam semesta — hampir semua jirim biasa alam semesta yang bukan hidrogen.
Tiub nyahcas helium yang dibentukkan sama dengan simbol atom unsur itu.
Helium ialahgas adi kedua palingtidak bertindak balas selepasneon dan oleh itu adalah yang kedua paling tidak bertindak balas antara semua unsur kimia;[38] ialengai danberatom tunggal dalam keadaan-keadaan piawai. Disebabkan jisim mol (atom) helium yang agak rendah,daya pengaliran terma,haba tertentu dankelajuan bunyi helium dalam fasa gas adalah lebih rendah daripada mana-managas lain kecualihidrogen. Untuk sebab yang sama, dan juga disebabkan oleh saiz atom-atom helium yang kecil, kadarpembauran helium merentasi pepejal adalah tiga kali ganda kadar pembauran udara dan 65% kadar pembauran hidrogen.[5]
Helium ialah gas monoatom yang paling kurangterlarut dalam air[39] dan juga yang paling tidak larut antara semua gas (CF4, SF6 dan C4F8 mempunyai keterlarutan pecahan mol yang lebih rendah, iaitu masing-masing 0.3802, 0.4394, dan 0.2372 x2/10−5, berbanding helium: 0.70797 x2/10−5),[40] danindeks pembiasan helium adalah lebih hampir kepada satu daripada mana-mana gas lain.[41] Helium mempunyaipekali Joule-Thomson negatif dalam suhu persekitaran biasa, yang bermaksud ia memanas apabila dibiarkan mengembang dengan bebas. Ia hanya akan menyejuk jika dibiarkan mengembang dengan bebas apabila ia berada di bawahsuhu penyonsangan Joule-Thomson (kira-kira 32 ke 50 K bertekanan 1 atmosfera).[5] Apabila diprasejukkan di bawah suhu ini, helium boleh dicecairkan melalui penyejukan pengembangan.
Kebanyakan helium di angkasa ditemui dalam bentukplasma dengan ciri-ciri yang agak berbeza daripada helium berbentuk atom. Dalam plasma, elektron-elektron helium tidak terikat kepada nukleus masing-masing dan ini menjadikan helium plasma mempunyai kebolehaliran elektrik yang sangat tinggi walaupun gas ini hanya diionkan separa. Zarah-zarah bercas amat dipengaruhi oleh medan magnet dan medan elektrik. Misalnya, zarah-zarah hidrogen terion dalamangin suria bertindak balas denganmagnetosfera Bumi dan membentukarus-arus Birkeland danaurora.[42]
Helium yang dicecairkan. Helium ini bukan sahaja cecair, malah ia telah disejukkan sehingga mencapai kebendaliran super. Titisan di bawah gelas ini adalah cecair helium yang dengan sendirinya melalui dinding bekas ini dan keluar, dan akan mengosongkan bekas ini. Tenaga yang memacu proses ini dibekalkan oleh tenaga keupayaan helium yang sedang jatuh. Lihatbendalir lampau.
Tidak seperti unsur-unsur lain, helium akan terus berada dalam fasa cecair sehingga dalam suhusifar mutlak dalam tekanan biasa. Ini adalah kesan terus mekanik kuantum: lebih tepat lagi,tenaga titik sifar sistem ini terlalu tinggi untuk membolehkan pembekuan. Helium pepejal memerlukan suhu 1-1.5 K (kira-kira −272 °C) dan tekanan 25 bar (2.5 MPa).[43] Biasanya, sukar untuk membezakan antara helium pepejal dengan helium cecair keranaindeks pembiasan kedua-duanya adalah lebih kurang sama. Pepejal helium mempunyaitakat didih yang mendadak dan strukturkristal, tetapi sangatboleh mampat; jika tekanan dikenakan keatasnya di dalam makmal, isipadunya akan berkurang sebanyak lebih 30%.[44] Denganmodulus pukal kira-kira 27MPa,[45] ia lebih kurang 100 kali ganda lebih boleh mampat daripada air. Helium pepejal mempunyai kepadatan 0.214 ± 0.006 g/cm3 pada 1.15K dan 66 atm; kepadatan yang diramalkan pada 0 K dan 25 bar (2.5 MPa) ialah 0.187 ± 0.009 g/cm3.[46]
Isotop helium-4 wujud dalam keadaan cecair tidak berwarna biasa yang dikenali dengan namahelium I di bawahtakat didihnya 4.22 K dan di atastitik lambdanya 2.1768 K.[5] Seperti cecair-cecairkriogenik yang lain, helium I mendidih apabila dipanaskan dan mengecut apabila suhunya direndahkan.
Helium I mempunyaiindeks pembiasan seperti gas, 1.026. Ini menjadikan permukaannya terlalu sukar untuk dilihat sehinggakan pelampung-pelampungstyrofoam perlu digunakan untuk menunjukkan kedudukan permukaan cecair ini.[5] Cecair tidak berwarna ini mempunyaikelikatan yang sangat rendah iaitu 0.145–0.125 g/mL (antara 0 dan 4 K);[47] nilai ini hanya satu perempat daripada nilai yang diramalkan daripadafizik klasik.[5]Mekanik kuantum diperlukan untuk menjelaskan sifat ini. Oleh itu, kedua-dua jenis helium cecair dipanggilbendalir kuantum, yakni ia memaparkan ciri-ciri atomnya pada skala makroskopik. Ini mungkin kesan daripada takat didihnya berada sangat hampir dengan sifar mutlak yang menghalang pergerakan molekul rawak (tenaga haba) daripada menutup ciri-ciri atomnya.[5]
Apabila helium cecair disejukkan di bawah titik lambdanya, ia dikenali sebagaihelium II dan mula menunjukkan ciri-ciri luar biasa. Helium II tidak boleh mendidih disebabkandaya pengaliran termanya yang tinggi; jika haba dikenakan ke atas helium II, ia akan terusmengewap kepada bentuk gas.Helium-3 juga mempunyai fasabendalir lampau, tetapi hanya di suhu yang lebih rendah; kesannya, tidak banyak yang diketahui tentang ciri-ciri seperti itu dalam isotop ini.[5]
Tidak seperti cecair-cecair biasa, helium II akan merayap sepanjang permukaan-permukaan untuk mencapai paras yang sama; selepas seketika, paras di dalam kedua-dua bekas akan menjadi sama.Filem Rollin juga meliputi bahagian dalam bekas yang lebih besar; jika ia tidak ditutup, helium II akan merayap keluar dan terlepas.[5]
Helium II ialah sejenis bendalir lampau, iaitu satu keadaan jirim mekanik kuantum (lihat:fenomena kuantum makroskopik) dengan ciri-ciri yang aneh. Contohnya, apabila ia mengalir melalui rerambut (kapilari) bersaiz 10-7 ke 10-8 m, ia tidak mempunyaikelikatan yang boleh diukur.[4] Namun, apabila ukuran diambil daripada dua cakera bergerak, satu kelikatan yang lebih kurang dengan kelikatan gas helium telah diperoleh. Teori kini menjelaskannya denganmodel dua bendalir untuk helium II. Dalam model ini, helium cecair di bawah titik lambda dilihat seperi ia mempunyai sebahagian atom helium dalamkeadaan asas yang merupakan bendalir lampau dan mengalir dengan tepat sifar kelikatan, dan sebahagian atom helium dalam keadaan teruja yang berkelakuan lebih seperti bendalir biasa.[48]
Dalamkesan air pancut, satu bekas yang disambungkan dengan satu takungan helium II oleh satu cakeratersinter yang helium bendalir lampau boleh lalui dengan mudah tetapi helium bukan bendalir lampau tidak boleh, dibina. Jika bahagian dalam bekas ini dipanaskan, helium bendalir lampau akan bertukar kepada helium bukan bendalir lampau. Untuk mengekalkan pecahan keseimbangan helium bendalir lampau, helium bendalir lampau membocor dan meningkatkan tekanan, menyebabkan cecair memancut keluar daripada bekas itu.[49]
Daya pengaliran terma helium II adalah lebih besar daripada mana-mana bahan lain yang diketahui; sejuta kali ganda daripada helium I dan beberapa ratus kali ganda daripadakuprum.[5] Ini kerana pengaliran haba berlaku dengan mekanisma kuantum yang luar biasa. Kebanyakan bahan yang mengalirkan haba dengan baik mempunyaijalur valens elektron bebas yang berfungsi sebagai pemindah haba. Helium II tidak mempunyai jalur sebegini tetapi ia tetap mengalirkan haba dengan baik.Aliran habanya dikawal oleh persamaan-persamaan yang serupa denganpersamaan gelombang yang digunakan untuk mencirikan penyebaran bunyi dalam udara. Apabila haba dikenakan, ia bergerak melalui helium II bersuhu 1.8 K pada kelajuan 20 meter sesaat dalam bentuk gelombang. Gelombang ini dikenali sebagaibunyi kedua.[5]
Helium II juga memiliki sifat merayap. Apabila satu permukaan dijangkau melepasi paras helium II, helium II akan merayap di atas permukaan ini melawan dayagraviti. Helium II akan melepaskan diri daripada satu bekas yang tidak ditutup dengan merangkak di sepanjang permukaan dalaman sehingga ia mencapai satu kawasan yang lebih panas lalu menyejat. Ia bergerak dalam bentuk lapisan setebal 30nm tidak kira jenis bahan permukaan. Lapisan ini dikenali sebagaifilem Rollin dan dinamakan sempena orang yang pertama kali mencirikan sifat ini, Bernard V. Rollin.[5][50][51] Disebabkan oleh sifat merayap ini dan kebolehan helium II membocor dengan cepat melalui bukaan kecil, sukar untuk mengurung helium cecair. Melainkan bekas itu dibina dengan teliti, helium II akan merayap di sepanjang permukaan dan melalui injap-injap sehingga ia mencapai tempat yang lebih panas, di mana ia akan mengewap. Gelombang yang tersebar sepanjang satu filem Rollin dikawal oleh persamaan yang sama dengangelombang graviti dalam air yang cetek, tetapi berbanding graviti, daya yang mengembalikan semula ialahdaya van der Waals.[52] Gelombang ini dikenali sebagaibunyi ketiga.[53]
Helium mempunyai lapanisotop yang diketahui, tetapi hanyahelium-3 danhelium-4 yangstabil. Di dalam atmosfera Bumi, ada satu atom3He di antara setiap sejuta atom4He.[4] Tidak seperti unsur-unsur lain, kelimpahan isotop helium berbeza dengan banyak mengikut asal-usul kerana proses penghasilan yang berbeza. Isotop helium yang paling biasa, helium-4, dihasilkan di Bumi melaluipereputan alfa unsur-unsur radioaktif yang lebih berat; zarah alfa yang terbentuk adalah nukleus helium-4 yang diionkan sepenuhnya. Helium-4 mempunyai nukleus yang luar biasa kestabilannya kerananukleon-nukleonnya disusun dalampetala-petala penuh. Ia juga dihasilkan dengan banyaknya sewaktunukleosintesis Letupan Besar.[54]
Helium-3 terdapat di Bumi dalam jumlah yang sedikit; kebanyakannya sejak kewujudan Bumi, walaupun sesetengahnya jatuh ke Bumi terperangkap dalamdebu kosmik.[55] Jumlah yang sedikit juga dihasilkan olehpereputan betatritium.[56] Batuan di kerak Bumi mempunyai nisbah isotop yang bezanya sehingga mencapai sepuluh kali ganda isotop lain, dan nisbah-nisbah ini boleh digunakan untuk mengkaji asal-usul batu-batu dan komposisimantel Bumi.[55]3He lebih banyak di bintang-bintang kerana ia adalah hasil pelakuran nuklear. Oleh itu, dalammedium antara bintang perkadaran3He kepada4He adalah kira-kira 100 kali lebih tinggi daripada di Bumi.[57] Bahan-bahan luar planet, sepertiregolith bulan dan asteroid, mempunyai jumlah helium-3 yang kecil yang diperolehi daripada pelanggaran denganangin suria. PermukaanBulan mempunyai helium-3 dengan tumpuan sebanyak 0.01ppm, lebih banyak daripada kira-kira 5ppt yang ditemui di atmosfera Bumi.[58][59] Beberapa orang, bermula dengan Gerald Kulcinski pada 1986,[60] telah mencadangkan untuk meneroka Bulan, melombong regolith di permukaannya dan gunakan helium-3 di dalamnya untukpelakuran.
Helium-4 cecair boleh disejukkan ke suhu 1 kelvin denganpenyejukan penyejatan di dalamperiuk 1-K. Helium-3 dengan takat didih yang lebih rendah boleh disejukkan dengan cara yang sama ke suhu 0.2 kelvin di dalampeti sejuk helium-3. Campuran sama3He dan4He cecair di bawah suhu 0.8 K akan terasing kepada dua fasa tak terlarutcampur kerana ketidaksamaan mereka (ia mengikutstatistik kuantum yang berbeza: atom helium-4 adalahboson manakala atom helium-3 adalahfermion).[5]Peti sejuk cairan menggunakan ketidakterlarutcampuran ini untuk mencapai suhu di bawah beberapa milikelvin.
Isotop helium eksotik boleh dihasilkan, namun ia akan mereput dan membentuk bahan lain dengan cepat. Isotop berat helium dengan jangka hayat yang terpendek ialah helium-5 denganseparuh hayat sepanjang 7.6 × 10-22 saat. Helium-6 mereput dengan memancarkan satuzarah beta dan mempunyai separuh hayat selama 0.8 saat. Helium-7 juga memancarkan zarah beta dan jugasinar gama. Helium-7 dan helium-8 dihasilkan dalam sesetengah tindak balas nuklear.[5] Helium-6 dan helium-8 diketahui mempunyainukleus halo.[5]
Helium mempunyaivalens sifar dan tidak bertindak balas secara kimia dalam semua keadaan biasa.[44] Ia merupakan perintang elektrik melainkan jika iadiionkan. Seperti mana gas-gas adi yang lain, helium mempunyaiparas tenaga metastabil yang membolehkannya untuk terus terion di dalam nyahcas elektrik denganvoltan di bawahkeupayaan pengionannya.[5] Helium boleh menghasilkansebatian-sebatian tidak stabil, yang dikenali sebagaieksimer, dengan tungsten, iodin, fluorin, sulfur dan fosforus apabila ia dikenakannyahcas berbara, pelanggaran elektron, ataupun jika ia berada dalam keadaanplasma. Sebatian kimia HeNe, HgHe10 dan WHe2, dan juga ion-ion molekulHe+ 2,He2+ 2,HeH+ dan HeD+ telah dihasilkan dengan cara ini.[61] HeH+ stabil dalam keadaan dasarnya, tetapi ia sangat reaktif—ia merupakanasid Brønsted yang terkuat diketahui, dan oleh itu ia hanya boleh wujud dalam pengasingan kerana ia akan memprotonkan mana-mana molekul atau anion yang bersentuh dengannya. Teknik ini juga telah membolehkan penghasilan molekul neutral He2 yang mempunyaisistem jalur yang banyak, dan HgHe yang nampaknya dicantumkan oleh daya pengutuban sahaja.[5] Secara teori, sebatian-sebatian sebenar yang lain boleh wujud, contohnya helium fluorohidrida (HHeF) yang akan menjadi analog kepadaHArF yang telah ditemui pada tahun 2000.[62] Kiraan menunjukkan bahawa dua sebatian baru dengan ikatan helium-oksigen berkemungkinan stabil.[63] Dua spesis molekul baru yang diramalkan dengan teori, CsFHeO dan N(CH3)4FHeO adalah terbitan daripada anion metastabil [F-HeO] yang pertama sekali diteorikan pada tahun 2005 oleh satu kumpulan dari Taiwan. Jika ia dapat dibuktikan melalui uji kaji, sebatian-sebatian ini akan menjadi penamat kepada kenadiran helium, danneon akan menjadi unsur nadir yang terakhir dalam jadual berkala.[64]
Helium pernah diletakkan di dalam molekul sangkar berongga karbon (fulerena) melalui pemanasan dalam tekanan tinggi. Molekul-molekulfulerena endohedra yang terbentuk adalah stabil walaupun dalam suhu tinggi. Apabila terbitan kimia dihasilkan daripada fulerena ini, atom helium kekal di dalamnya.[65] Sekiranyahelium-3 telah digunakan, ia boleh diperhatikan denganspektroskopi resonans magnetik nuklear helium.[66] Banyak fulerena yang mengandungi helium-3 telah dilaporkan. Walaupun atom helium itu tidak diikat oleh sebarang ikatan kovalen atau ion, bahan-bahan ini mempunyai ciri-ciri tersendiri dan komposisi tertentu, sama seperti mana-mana sebatian kimia stoikiometri.
Di dalamatmosfera Bumi, kepekatan helium mengikut isipadu hanyalah 5.2 bahagian per sejuta.[67][68] Kepekatannya rendah dan agak malar meskipun penghasilan helium yang berterusan kerana kebanyakan helium di atmosfera Bumiterlepas ke angkasa melalui beberapa proses.[69][70][71] Di dalamheterosfera Bumi (sebahagian daripada atmosfera atas), helium dan gas-gas ringan yang lain adalah unsur yang paling banyak.
Kebanyakan helium di Bumi terhasil daripadapereputan radioaktif. Helium ditemui dengan banyaknya di dalam mineral-mineraluranium dantorium sepertikleveit,pitchblende,karnotit danmonazit kerana ia pancarkan zarah alfa (nukleus helium, He2+) yang digabungkan dengan elektron sebaik sahaja zarah itu dihentikan oleh batu. Dengan cara ini, sebanyak lebih kurang 3000 tan metrik helium dihasilkan setiap tahun di seluruhlitosfera.[72][73][74] Di dalam kerak Bumi, kepekatan helium ialah 8 bahagian per sebilion. Dalam air laut, kepekatannya hanyalah 4 bahagian per setrilion. Gas ini juga terdapat dalam jumlah yang kecil dimata-mata air mineral, gas gunung berapi danbesi meteor. Oleh kerana helium terperangkap di bawah tanah dalam keadaan-keadaan yang juga memerangkap gas-gas asli, kepekatan semula jadi helium terbesar di dunia ditemui dalam gas asli, dari mana kebanyakan helium komersial dikeluarkan. Kepekatannya berbeza dalam julat yang besar daripada beberapa bahagian per sejuta hingga ke lebih 7% di sebuah medan gas kecil diDaerah San Juan, New Mexico.[75][76]
Bagi kegunaan berskala besar, helium diekstrak melaluipenyulingan berperingkat gas asli yang boleh mengandungi sehingga 7% helium.[77] Oleh kerana helium mempunyaitakat didih yang lebih rendah daripada mana-mana unsur lain, suhu rendah dan tekanan tinggi digunakan untuk mencecairkan hampir semua gas lain (kebanyakannyanitrogen danmetana). Gas helium mentah yang terhasil ditulenkan dengan pendedahan berturut-turut kepada suhu yang menurun, di mana hampir semua gas nitrogen dan gas-gas lain yang tinggal dimendakkan keluar daripada campuran gas itu.Arang diaktifkan digunakan dalam langkah penulenan yang terakhir dan biasanya menghasilkan helium Gred A dengan ketulenan 99.995%.[5] Bendasing utama dalam helium Gred A adalahneon. Dalam langkah penghasilan yang terakhir, kebanyakan helium yang terbentuk dicecairkan melalui proseskriogenik. Ini perlu untuk penggunaan-penggunaan yang memerlukan helium cecair dan turut membolehkan pembekal helium mengurangkan kos penghantaran jarak jauh, kerana kontena-kontena helium cecair terbesar mempunyai kapasiti lima kali ganda daripada treler-treler tiub gas helium terbesar.[33][78]
Pada tahun 2008, kira-kira 169 juta meter padu piawai (SCM) helium telah diekstrak daripada gas asli atau dikeluarkan daripada rizab-rizab helium; kira-kira 78% daripadanya adalah daripada Amerika Syarikat, 10% daripada Algeria dan selebihnya daripada Rusia, Poland dan Qatar.[79] Di Amerika Syarikat, kebanyakan helium diekstrak daripada gas asli diKawasan Gas Asli Hugoton dan medan-medan gas berdekatan di Kansas, Oklahoma dan Texas.[33] Kebanyakan gas ini pernah dihantar melalui paip keRizab Helium Kebangsaan, tetapi sejak 2005 rizab ini sedang semakin kosong dan dijual.
Satu lagi langkah untuk memperoleh dan menulenkan gas helium ialah melalui pembauran gas asli mentah melaluimembran separa telap khas dan pengadang-pengadang lain.[80] Pada tahun 1996, Amerika Syarikat mempunyai rizab-rizab heliumyang terbukti ada, yang mengandungi kira-kira 147 bilion kaki padu piawai (4.2 bilion SCM) di dalam kompleks-kompleks telaga gas seperti ini.[81] Berdasarkan kadar penggunaan pada masa itu (72 juta SCM setahun di A.S.; lihat carta pai di bawah) jumlah ini cukup untuk menampung penggunaan helium A.S. selama kira-kira 58 tahun, dan kurang daripada jumlah itu bagi penggunaan helium dunia (mungkin 80% daripada masa itu). Dianggarkan jumlah helium dalam gas asli yangmasih belum dibuktikan di A.S. adalah kira-kira 31-35 trilion SCM, atau 1000 kali ganda jumlah rizab yang terbukti ada.[82]
Helium perlu diekstrak daripada gas asli kerana kewujudannya dalam udara hanyalah sebahagian daripada jumlah neon dalam udara, tetapi permintaan untuknya adalah jauh lebih tinggi. Dianggarkan sekiranya setiap operasi pengeluaran neon ditukarkan untuk memproses helium, hanya 0.1% permintaan helium dunia boleh dipenuhi. Serupa juga, hanya 1% permintaan helium dunia boleh dipenuhi sekiranya setiap setiap loji penyulingan udara dipasang semula.[83] Helium boleh disintesis melalui pelanggaran sama adalitium atauboron dengan proton berkelajuan tinggi, tetapi proses ini adalah sangat tidak menguntungkan.[84]
Helium boleh didapati secara komersial dalam bentuk gas atau cecair. Dalam bentuk cecair, ia boleh dibekalkan di dalam bekas-bekas kecil berpenebat bernama "dewar" yang boleh menampung sehingga 1,000 liter helium, atau di dalam bekas-bekas ISO besar yang mempunyai isipadu nominal sehingga 42 m3 (kira-kira 11,000gelen A.S.). Dalam bentuk gas, sejumlah kecil helium dibekalkan di dalam silinder-silinder bertekanan tinggi yang boleh mengandungi sehingga 8 m3 helium (atau lebih kurang 282kaki padu piawai), manakala kuantiti besar gas bertekanan tinggi disalurkan melalui treler tiub yang mempunyai kapasiti sehingga 4,860 m3 (kira-kira 172,000 kaki padu piawai).
Menurut penyokong pemuliharaan helium sepertiRobert Coleman Richardson, harga pasaran helium yang bebas telah menyumbang kepada penggunaan helium yang "membazir" (misalnya dalambelon helium). Harga helium pada tahun 2000-an telah diturunkan selepas keputusan oleh Kongres A.S. yang telah memutuskan untuk menjual simpanan helium yang besar negara itu menjelang 2015.[85] Kata Richardson, harga helium masa kini perlu digandakan dengan 20 untuk mengelakkan pembaziran berlebihan helium. Dalam buku mereka,Future of helium as a natural resource (Routledge, 2012), Nuttall, Clarke & Glowacki (2012) juga mencadangkan penubuhan sebuah Agensi Helium Antarabangsa (IHA) untuk membentuk satu pasaran boleh ditampung bagi komoditi berharga ini.[86]
Penggunaan tunggal helium yang terbesar ialah untuk menyejukkan magnet pengaliran super di dalam pengimbas MRI moden.
Anggaran pecahan penggunaan helium di Amerika Syarikat pada 2013. Kegunaan keseluruhan ialah 47 juta meter padu.[87]
Kriogenik (32%)
Penekanan dan penyingkiran (18%)
Penyaduran (13%)
Atmosfera terkawal (18%)
Pengesanan bocor (4%)
Campuran gas pernafasan (2%)
Other (13%)
Helium digunakan dalam pelbagai tujuan yang memerlukan sesetengah ciri-ciri uniknya sepertitakat didih rendah,ketumpatan rendah,kebolehlarutan rendah,pengaliran terma yang tinggi, ataukenadiran. Daripada jumlah pengeluaran helium dunia pada tahun 2008 sebanyak kira-kira 32 juta kg (193 juta meter padu standard) helium setahun, penggunaan terbesarnya adalah dalam penggunaan kriogenik (kira-kira 22% jumlah pada tahun 2008), kebanyakannya melibatkan penyejukkan magnet pengaliran super di dalam pengimbasMRI.[88] Penggunaan utama lain helium (berjumlah kira-kira 78% penggunaan 1996) adalah dalam sistem penekanan dan penyingkiran, pengekalan atmosfera terkawal dan penyaduran. Penggunaan lain mengikut kategori adalah agak kecil.[89]
Helium digunakan sebagaigas pengadang dalam proses-prosespenyaduran arka bahan-bahan yang boleh dicemari atau dilemahkan oleh udara atau nitrogen pada suhu penyaduran.[4] Beberapa gas pengadang nadir digunakan dalam penyaduran arka gas tungsten, tetapi helium digunakan berbanding gasargon yang lebih murah terutama sekali untuk menyadur bahan-bahan yang mempunyaipengaliran terma yang lebih tinggi sepertialuminium atautembaga.
Salah satu kegunaan industri bagi helium ialahpengesanan kebocoran. Oleh sebab helium membaur melalui pepejal tiga kali lebih pantas daripada udara, ia digunakan sebagai gas pengesan untuk mengesankebocoran di dalam peralatan-peralatan vakum tinggi (seperti tangki kriogenik) dan tangki-tangki bertekanan tinggi.[92] Objek yang diuji diletakkan di dalam satu kebuk yang kemudiannya dikosongkan dan diisi dengan helium. Helium yang terlepas melalui bocor-bocor dikesan oleh alat yang sensitif (spektrometer jisim helium) yang boleh mengesan kadar kebocoran serendah 10-9 mbar·L/s (10-10 Pa·m3/s). Prosedur pengukuran ini biasanya automatik dan dinamakan ujian kamiran helium (helium integral test). Langkah yang lebih mudah adalah dengan mengisi objek yang diuji dengan helium dan mengesan kebocoran helium secara manual dengan alatan tangan.[93]
Kebocoran helium melalui rekahan berbeza daripada peresapan gas melalui bahan pukal. Walaupun helium mempunyai pemalar peresapan melalui kaca, seramik dan bahan sintetik yang telah dicatatkan (oleh itu, kadar peresapan yang boleh dikira), gas nadir seperti helium tidak akan meresap melalui kebanyakan bahan pukal.[94]
Oleh kerana helium tidak boleh terbakar dan mempunyai ketumpatan rendah, ia menjadi gas pilihan untuk mengisi kapal-kapal udara sepertikapal udara Goodyear.
Oleh kerana ialebih ringan daripada udara,kapal-kapal udara dan belon-belon diisi dengan helium untuk memperoleh daya angkat. Walaupun gashidrogen adalah kira-kira 7% lebih mengapung, helium mempunyai kelebihan iaitu sifatnya yang tidak boleh terbakar (dan juga menghalang kebakaran). Satu lagi kegunaan kecil helium ialah dalamsains roket, di mana helium digunakan sebagai medium pengisikekosongan yang menggantikan tempat bahan api dan bahan pengoksida dalam tangki simpanan, dan untuk memeluwapkan hidrogen dan oksigen untuk membentukbahan api roket. Ia juga digunakan untuk menyingkirkan bahan api dan bahan pengoksida daripada peralatan bantuan bumi sebelum pelancaran dan untuk menyejuk sebelum hidrogen cecair dalamkenderaan luar angkasa. Misalnya, roketSaturn V yang digunakan dalamprogram Apollo memerlukan kira-kira 370,000 m3(13 juta kaki3) helium untuk dilancarkan.[44]
Sebagai gas pernafasan, helium tidak mempunyaisifat-sifat narkotik, oleh itu campuran-campuran helium sepertitrimix,heliox danheliairdigunakan dalampenyelaman laut dalam bagi mengurangkan kesan narkosis.[95][96] Pada kedalaman melebihi 150 meter (490 kaki), penyelam yang bernafas campuran gas helium–oksigen akan mula mengalamisindrom saraf tekanan tinggi; penyelam akan mula terketar-ketar dan fungsi psikomotornya akan menurun.[97] Kesan-kesan ini boleh diatasi sedikit sebanyak dengan menambahkan jumlah tertentu gas narkotik seperti hidrogen atau nitrogen ke dalam campuran gas helium–oksigen.[98] Pada kedalaman sebegini, ketumpatan rendah helium didapati mengurangkan kesukaran bernafas dengan banyak.[99]
Laser helium–neon, sejenis laser berkuasa rendah yang menghasilkan pancaran berwarna merah, mempunyai pelbagai kegunaan praktikal termasuklah sebagaipembaca kod bar danpenunjuk laser, sebelum ia digantikan hampir secara meluas olehlaser diod yang lebih murah.[4]
Disebabkan sifat helium yang lengai, tinggikeraliran haba dan kelutsinaran terhadap neutron, serta tidak membentuk isotop radioaktif dalam persekitaran reaktor, helium digunakan sebagai medium pemindah haba dalam sesetengahreaktor nuklear yang disejukkan gas.[92]
Helium yang dicampurkan dengan gas yang lebih berat seperti xenon berguna bagi tujuanpenyejukan termoakustik kesan daripadanisbah muatan haba yang tinggi danangka Prandtl rendah hasil daripada gabungan kedua-dua gas.[100] Kelengaian helium mempunyai kelebihan dari segi persekitaran berbanding sistem-sistem penyejukan konvensional yang menyumbang kepada penipisan lapisan ozon atau pemanasan global.[101]
Penggunaan helium mengurangkan kesan herotan yang berpunca daripada perbezaan suhu di dalam ruang antarakanta dalam sesetengahteleskop, disebabkan olehindeks biasan helium yang amat rendah.[5] Kaedah ini selalunya digunakan dalam teleskop suria di mana tiub teleskop kedap vakum akan menjadi terlalu berat.[103][104]
Helium ialah gas pengangkut yang biasa digunakan bagikromatografi gas.
Usia batuan dan mineral yang mengandungiuranium dantorium boleh dianggarkan dengan mengira jumlah helium dalam proses yang dikenali sebagaipentarikhan helium.[4][5]
Helium pada suhu yang rendah digunakan dalamkriogenik, dan dalam beberapa kegunaan kriogenik. Antara contoh penggunaannya ialah penyejukan logam-logam tertentu menggunakan helium cecair sehingga mencapai suhu yang teramat rendah yang diperlukan bagikeberaliran lampau, seperti dalammagnet pengalir lampau bagi tujuanpengimejan resonans magnet.Pelanggar Hadron Besar (LHC) diCERN menggunakan 96tan metrik helium cecair untuk mengekalkan suhunya pada 1.9 kelvin.[105]
Helium neutral dalam keadaan standard bersifat tidak bertoksik, tidak mempunyai fungsi biologi dan ditemui dalam jumlah yang amat sedikit dalam darah manusia.
Kelajuan bunyi dalam helium adalah kira-kira tiga kali ganda kelajuannya dalam udara. Oleh keranafrekuensi asas ruang berongga berisi gas berkadaran terus dengan kelajuan bunyi dalam gas tersebut, apabila helium disedut peningkatan dalamfrekuensi resonanssaluran suara akan berlaku kesan daripadanya.[4][106] Frekuensi asas (kadang kala dinamakankelangsingan ataupic) tidak berubah kerana ia dihasilkan melalui getaran terus lipatan vokal yang tidak berubah.[107] Namun, frekuensi resonans yang lebih tinggi menyebabkan perubahantimbre atau warna bunyi, menghasilkan suara bersifat rid dan seperti itik. Kesan bertentangannya, frekuensi resonans yang lebih rendah, boleh diperoleh dengan menyedut gas yang lebih tumpat sepertisulfur heksafluorida atauxenon.
Helium jika disedut boleh jadi bahaya jika ia berlebihan disebut, kerana helium ialahgas penyesak ringkas dan boleh menggantikan oksigen di dalam peparu yang diperlukan bagi proses pernafasan normal.[4][108] Kematian-kematian telah direkodkan, salah satunya melibatkan seorang belia yang tersesak nafas di Vancouver pada 2003 dan dua orang dewasa yang tersesak nafas di Florida Selatan pada 2006.[109][110] Pada tahun 1998, seorang perempuan Australia (usia tidak diketahui) dari Victoria telah pengsan dan kulitnya bertukar biru setelah menyedut keseluruhan isi belon parti.[111][112][113] Menyedut helium tulen secara berterusan akan menyebabkan kematian disebabkanasfiksia dalam beberapa minit. Ini digunakan dalam reka bentukbeg bunuh diri.
Menyedut helium secara terus daripada silinder bertekanan adalah teramat berbahaya kerana kadar aliran yang tinggi dari silinder boleh menyebabkanbarotrauma dan meletupkan tisu-tisu peparu sehingga membawa maut.[108][114]
Jarang berlaku kematian disebabkan helium. Kes pertama yang direkod media adalah berkenaan perempuan berusia 15 tahun dari Texas yang meninggal dunia pada 1998 disebabkan inhalasi helium di parti rumah kawannya; jenis tepat kematian helium dalam kes ini tidak dapat dipastikan.[111][112][113]
Di Amerika Syarikat, hanya dua kematian disebabkan helium dilaporkan antara 2000 hingga 2004, termasuklah kematian seorang lelaki di Carolina Utara disebabkan barotrauma pada 2002.[109][114] Seorang belia telah lemas disebabkan helium di Vancouver pada 2003, dan lelaki 27 tahun di Australia telah mengalami embolisme akibat bernafas terus daripada silinder helium pada 2000.[109] Sejak itu, dua orang dewasa telah tersesak nafas di Florida Selatan pada 2006,[109][110][115] dan terdapat beberapa kes pada 2009 dan 2010, satunya melibatkan belia California yang ditemui dengan sebuah beg di kepalanya, bersambung dengan tangki helium[116] dan seorang lagi remaja di Ireland Utara mati disebabkan asfiksia.[117] DiEagle Point, Oregon seorang remaja perempuan mati pada tahun 2012 disebabkan barotrauma ketika berada di sebuah parti.[118][119][120][121] Seorang perempuan dari Michigan mati akibat hipoksia kemudiannya dalam tahun itu.[122]
Isu keselamatan bagi helium kriogen adalah serupa dengannitrogen cecair; suhunya yang teramat rendah boleh menyebabkanbakaran sejuk, dan nisbah pengembangan cecair ke gas helium boleh menyebabkan letupan sekiranya tidak ada alatan pelepas tekanan dipasang. Penyimpan gas helium pada 5 ke 10 K perlu dikendalikan seolah-olah ia mengandungi helium cecair keranapengembangan terma yang pantas dan ketara yang berlaku apabila gas helium pada suhu kurang daripada 10 K dipanaskan padasuhu bilik.[44]
Pada tekanan tinggi (melebihi 20 atm atau 2 MPa), campuran helium dan oksigen (heliox) boleh menyebabkansindrom saraf tekanan tinggi, sejenis kesan anestetik terbalik; masalah ini boleh ditangani dengan memasukkan sedikit nitrogen ke dalam campuran tersebut.[123][124]
^Helium: Up, Up and Away? Melinda Rose, Photonics Spectra, Okt. 2008. Diakses Feb 27, 2010. Untuk carta pai 1996 yang lebih berwibawa tetapi lebih tua yang menunjukkan penggunaan helium A.S. mengikut sektor, yang memaparkan hasil yang lebih kurang sama, lihat carta yang dihasilkan semula dalam bahagian "Penggunaan" rencana ini.
^Kochhar, R. K. (1991). "French astronomers in India during the 17th – 19th centuries".Journal of the British Astronomical Association.101 (2): 95–100.Bibcode:1991JBAA..101...95K.
^abcdefghijklEmsley, John (2001).Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. m/s. 175–179.ISBN0-19-850341-5.
^"Helium". Oxford English Dictionary. 2008. Dicapai pada2008-07-20.
^Thomson, William (Aug. 3, 1871)."Inaugural Address of Sir William Thompson".Nature.4: 261–278 [268].Bibcode:1871Natur...4..261..doi:10.1038/004261a0.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 HeliumCheck date values in:|date= (bantuan)
^Ramsay, William (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.
^(Jerman)Langlet, N. A. (1895). "Das Atomgewicht des Heliums".Zeitschrift für anorganische Chemie (dalam bahasa German).10 (1): 289–292.doi:10.1002/zaac.18950100130.CS1 maint: unrecognized language (link)
^Weaver, E.R. (1919). "Bibliography of Helium Literature".Industrial & Engineering Chemistry.
^Munday, Pat (1999). John A. Garraty and Mark C. Carnes (penyunting).Biographical entry for W.F. Hillebrand (1853–1925), geochemist and U.S. Bureau of Standards administrator inAmerican National Biography. 10–11. Oxford University Press. m/s. 808–9, 227–8.
^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.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^Emme, Eugene M. comp., penyunting (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. m/s. 11–19.Unknown parameter|chapterurl= ignored (bantuan);|access-date= requires|url= (bantuan)
^Hilleret, N. (1999). "Leak Detection". Dalam S. Turner (penyunting).CERN Accelerator School, vacuum technology: proceedings: Scanticon Conference Centre, Snekersten, Denmark, 28 May – 3 June 1999(PDF). Geneva, Switzerland:CERN. m/s. 203–212.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. Kansas Academy of Science.71 (4): 432–438.doi:10.2307/3627447.JSTOR3627447.
^Mullins, P.V.; Goodling, R. M. (1951).Helium. Bureau of Mines / Minerals yearbook 1949. m/s. 599–602. Dicapai pada2008-07-20.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^abcSmith, E.M.; Goodwin, T.W.; Schillinger, J. (2003). "Challenges to the Worldwide Supply of Helium in the Next Decade".Advances in Cryogenic Engineering. 49.A (710): 119–138.doi:10.1063/1.1774674.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^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.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^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.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^Buhler, F.; Axford, W. I.; Chivers, H. J. A.; Martin, K. (1976). "Helium isotopes in an aurora".J. Geophys. Res.81 (1): 111–115.Bibcode:1976JGR....81..111B.doi:10.1029/JA081i001p00111.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^Hohenberg, P. C.; Martin, P. C. (2000). "Microscopic Theory of Superfluid Helium".Annals of Physics.281 (1–2): 636–705 12091211.Bibcode:2000AnPhy.281..636H.doi:10.1006/aphy.2000.6019.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^abAnderson, Don L.; Foulger, G. R.; Meibom, A. (2006-09-02)."Helium Fundamentals". MantlePlumes.org. Dicapai pada2008-07-20.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^"Lunar Mining of Helium-3". Fusion Technology Institute of the University of Wisconsin-Madison. 2007-10-19. Diarkibkan daripadayang asal pada 2010-06-09. Dicapai pada2008-07-09.
^Saunders, M.; dll. (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.Explicit use of et al. in:|author= (bantuan)
^Oliver, B. M.; Bradley, James G. (1984). "Helium concentration in the Earth's lower atmosphere".Geochimica et Cosmochimica Acta.48 (9): 1759–1767.Bibcode:1984GeCoA..48.1759O.doi:10.1016/0016-7037(84)90030-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^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.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^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.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^Committee on the Impact of Selling, lihat jadual bagi jumlah rizab AS yang terbukti
^Committee on the Impact of Selling, Lihat Jadual 4.2 bagi anggaran rizab dan m/s 47 bagi anggaran rizab tidak terbukti.
^Committee on the Impact of Selling, lihat m/s 40 bagi anggaran jumlah pengeluaran helium secara teori dengan loji pengeluaran neon dan udara cecair.
^U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey (2014). "Helium".Mineral Commodity Summaries 2014. m/s. 72–73.Unknown parameter|chapterurl= ignored (bantuan)
^Sumber maklumat diberikan dalam carta pai di sebelah kanan.
^Beckwith, I.E.; Miller, C. G. (1990). "Aerothermodynamics and Transition in High-Speed Wind Tunnels at Nasa Langley".Annual Review of Fluid Mechanics.22 (1): 419–439.Bibcode:1990AnRFM..22..419B.doi:10.1146/annurev.fl.22.010190.002223.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^Butcher, Scott J.; Jones, Richard L.; Mayne, Jonathan R.; Hartley, Timothy C.; Petersen, Stewart R. (2007). "Impaired exercise ventilatory mechanics with the self-contained breathing apparatus are improved with heliox".European Journal of Applied Physiology. Netherlands: Springer.101 (6): 659–69.doi:10.1007/s00421-007-0541-5.PMID17701048.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^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.ISBN0-262-13308-3.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^abGrassberger, Martin; Krauskopf, Astrid (2007). "Suicidal asphyxiation with helium: Report of three cases Suizid mit Helium Gas: Bericht über drei Fälle".Wiener Klinische Wochenschrift (dalam bahasa German & English).119 (9–10): 323–325.doi:10.1007/s00508-007-0785-4.PMID17571238.CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: unrecognized language (link)
Bureau of Mines (1967).Minerals yearbook mineral fuels Year 1965, Volume II (1967). U. S. Government Printing Office.
Committee on the Impact of Selling the Federal Helium Reserve, Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications, Commission on Engineering and Technical Systems, National Research Council (2000).The Impact of Selling the Federal Helium Reserve. The National Academies Press.ISBN0-309-07038-4. Dicapai pada2010-04-02.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
Emsley, John (1998).The Elements (ed. 3rd). New York: Oxford University Press.ISBN978-0-19-855818-7.
