Helium

Penemuan-penemuan saintifik

Bukti kewujudan helium yang pertama adalah satu garis spektrum kuning terang dengan panjang gelombang 587.49 nanometer di dalam spektrum pancaran kromosfera Matahari yang telah ditemui pada 18 Ogos 1868 oleh ahli falak Perancis, Jules Janssen dalam gerhana matahari penuh di Guntur, India. Garisan ini pada asalnya dianggap dipancarkan oleh natrium. Pada 20 Oktober pada tahun yang sama, ahli falak England, Norman Lockyer telah memerhatikan satu garis kuning dalam spektrum suria yang dinamakannya garis Fraunhofer D₃ kerana ia berada berdekatan dengan garis natrium D₁ dan D₂ yang telah diketahui. 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).
Pada tahun 1882, ahli fizik Itali, Luigi Palmieri telah mengesan helium di Bumi buat kali pertama melalui garis spektrum D₃ unsur itu. Beliau menemuinya ketika menganalisa lava dari Gunung Vesuvius.
Pada 26 Mac 1895, ahli kimia Scotland, Sir William Ramsay telah mengasingkan helium di Bumi dengan merawat mineral kleveit (salah satu jenis bijih uranium dengan kira-kira 10% unsur nadir bumi) dengan asid mineral. Ramsay sebenarnya sedang mencari gas argon, tetapi setelah beliau mengasingkan nitrogen dan oksigen daripada gas yang dibebaskan oleh asid sulfurik, beliau telah menemui satu garis spektrum kuning yang serupa dengan garis D₃ yang diperhatikan dalam spektrum Matahari. 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 bernama Per Teodor Cleve dan Abraham Langlet di Uppsala, Sweden. Mereka telah mengumpul cukup banyak helium untuk menentukan berat atomnya. 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.
Pada 1907, Ernest Rutherford dan Thomas Royds telah menunjukkan yang zarah-zarah alfa terdiri daripada nukleus 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 satu kelvin. Beliau turut mencuba untuk mengeraskan gas itu dengan terus mengurangkan suhu tetapi gagal kerana helium tidak mempunyai suhu titik 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.
Pada 1938, ahli fizik Rusia, Pyotr Leonidovich Kapitsa mendapati yang helium-4 langsung tidak mempunyai kelikatan pada suhu hampir dengan sifar mutlak. Fenomena ini kini dikenali sebagai kebendaliran lampau, dan ia berkaitan dengan pemeluwapan Bose-Einstein. Pada 1972, fenomena yang sama telah ditemui pada helium-3 oleh ahli-ahli fizik Amerika, Douglas D. Osheroff, David M. Lee dan Robert C. Richardson, tetapi ia berlaku pada suhu yang lebih hampir dengan sifar mutlak. Fenomena yang berlaku dalam helium-3 dikatakan berkaitan dengan pasangan-pasangan fermion helium-3 untuk membentuk boson yang lebih kurang sama dengan pasangan-pasangan elektron Cooper yang menghasilkan kesuperkonduksian.

Pengekstrakan dan kegunaan

Selepas satu operasi menggerudi minyak di Dexter, 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 ke Universiti Kansas di Lawrence. Dengan bantuan ahli-ahli kimia Hamilton Cady dan David McFarland, beliau telah menemui yang isipadu gas itu terdiri daripada 72% nitrogen, 15% metana (satu peratusan yang boleh terbakar jika adanya jumlah oksigen yang cukup), 1% hidrogen dan 12% gas yang tidak dikenalpasti. Selepas analisis lanjut, Cady dan McFarland telah mendapati yang 1.84% sampel itu adalah gas helium. Ini menunjukkan bahawa meskipun ia agak jarang di Bumi, helium tertumpu dalam kuantiti yang banyak di bawah Dataran Besar Amerika, sedia untuk diekstrak sebagai bahan sampingan gas asli.
Ini membolehkan Amerika Syarikat menjadi pembekal helium terbesar di dunia. Selepas satu cadangan oleh Sir Richard Threlfall, Tentera Laut Amerika Syarikat telah menaja tiga logi helium percubaan kecil sewaktu Perang Dunia Pertama. Tujuannya adalah untuk membekalkan belon-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. 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 dari Hampton Roads, Virginia ke Bolling Field, Washington D.C. pada 1 Disember 1921.
Walaupun proses pengekstrakan helium yang menggunakan pencecairan gas pada suhu yang rendah tidak dibangunkan cukup awal untuk memberi kesan yang penting dalam Perang Dunia Pertama, pengeluaran tetap diteruskan. Helium digunakan terutamanya sebagai gas pengangkat di dalam kapal-kapal udara. Permintaan helium meningkat untuk kegunaan ini sewaktu Perang Dunia Kedua, begitu juga dengan permintaan untuk kimpalan arka dihadang. Spektrometer jisim helium juga penting dalam Projek Manhattan yang menghasilkan bom-bom atom pertama dunia.
Kerajaan Amerika Syarikat telah menubuhkan Rizab Helium Kebangsaan di Amarillo, Texas pada tahun 1925 dengan tujuan untuk membekalkan helium kepada kapal-kapal udara tentera sewaktu perang dan kepada kapal-kapal udara komersial sewaktu damai. Oleh kerana sekatan yang dikenakan oleh tentera Amerika Syarikat ke atas Jerman, bekalan helium kepada negara itu disekat dan Zeppelin-zeppelin Jerman seperti Hindenburg terpaksa menggunakan hidrogen sebagai gas pengangkat. Kegunaan helium selepas Perang Dunia Kedua berkurangan tetapi rizab ini dikembangkan pada tahun 1950-an untuk memastikan bekalan berterusan helium cecair sebagai penyejuk untuk menghasilkan bahan api roket oksigen/hidrogen (dalam banyak-banyak kegunaan lain) sewaktu Perlumbaan Angkasa dan Perang Dingin. Kegunaan helium di Amerika Syarikat pada tahun 1965 adalah kira-kira lapan kali ganda kegunaan puncak sewaktu masa perang.
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 program pemuliharaan helium ini, Biro ini telah membina satu talian paip sepanjang 684 km dari Bushton, 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.
Menjelang tahun 1995, satu bilion meter padu (10⁹ m³) gas itu telah dikumpulkan dan rizab ini berhutang sebanyak US$1.4 bilion, dan ini memaksa Kongres Amerika Syarikat untuk menghentikan rizab ini secara berperingkat pada 1996. "Akta Penswastaan Helium 1996" yang terhasil  (Undang-undang Awam 104-273) mengarahkan Jabatan Dalaman Amerika Syarikat untuk memulakan pengosongan rizab ini menjelang 2005.
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.
Selama beberapa tahun, Amerika Syarikat telah menghasilkan lebih 90% helium boleh guna komersial di dunia, manakala bakinya dihasilkan di loji-loji pengekstrakan di Kanada, Poland, Rusia dan beberapa negara lain. Pada pertengahan 1990-an, satu loji baru di Arzew, 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. Pada tahun 2004-2006, dua loji baru telah dibangunkan di Ras Laffan, Qatar dan Skikda, Algeria. Algeria dengan pantas menjadi penghasil helium kedua terbesar di dunia. Sepanjang tempoh ini, penggunaan helium dan kos pengeluarannya telah meningkat. Dalam tempoh masa antara 2002 hingga 2007, harga helium telah berganda.
Setakat 2012, Rizab Helium Kebangsaan Amerika Syarikat merangkumi 30 peratus helium seluruh dunia. Rizab itu dijangka akan kehabisan helium pada tahun 2018. Meskipun begitu, satu rang undang-undang yang diusulkan dalam Senat Amerika Syarikat akan membenarkan rizab ini untuk terus menjual helium. Rizab-rizab besar yang lain adalah di Hugoton di Kansas dan medan-medan gas berdekatan Kansas dan di panhandle Texas dan Oklahoma. Loji-loji helium yang baru dijadualkan untuk dibuka pada tahun 2012 di Qatar, Rusia dan negeri Wyoming di Amerika Syarikat, namun pembukaan loji-loji ini tidak dijangka akan memulihkan kekurangan gas ini.

Helium dalam mekanik kuantum

Dalam perspektif mekanik kuantum, helium ialah atom kedua paling ringkas untuk dimodelkan selepas atom hidrogen. Helium terdiri daripada dua elektron di dalam orbital 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 (lihat masalah 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. 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 berkesan Z 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 satu zarah alfa. Uji kaji penyerakan elektron bertenaga tinggi menunjukkan yang casnya menurun secara eksponen daripada takat maksimum di titik tengah, tepat seperti mana kepadatan cas awan 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 semua fermion ini menduduki sepenuhnya orbital 1s 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 atom helium-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 (bukannya deuterium atau helium-3 atau unsur-unsur yang lebih berat) dalam Matahari. Ia juga penyebab mengapa zarah alfa ialah jenis zarah barion yang paling biasa dilenting daripada satu nukleus atom; dengan erti kata lain, pereputan alfa adalah lebih biasa daripada pereputan kluster.
Kestabilan luar biasa helium-4 juga penting dari segi kosmologi: ia menjelaskan mengapa beberapa minit selepas Letupan 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 (lihat nukleosintesis dan tenaga 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 setiap nukleon, karbon. Namun, oleh kerana kekurangan unsur-unsur pertengahan, proses ini memerlukan tiga atom helium melanggar satu sama lain hampir serentak (lihat proses 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.

Fasa gas dan plasma

Helium ialah gas adi kedua paling tidak bertindak balas selepas neon dan oleh itu adalah yang kedua paling tidak bertindak balas antara semua unsur kimia; ia lengai dan beratom tunggal dalam keadaan-keadaan piawai. Disebabkan jisim mol (atom) helium yang agak rendah, daya pengaliran terma, haba tertentu dan kelajuan bunyi helium dalam fasa gas adalah lebih rendah daripada mana-mana gas lain kecuali hidrogen. Untuk sebab yang sama, dan juga disebabkan oleh saiz atom-atom helium yang kecil, kadar pembauran helium merentasi pepejal adalah tiga kali ganda kadar pembauran udara dan 65% kadar pembauran hidrogen.
Helium ialah gas monoatom yang paling kurang terlarut dalam air 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), dan indeks pembiasan helium adalah lebih hampir kepada satu daripada mana-mana gas lain. Helium mempunyai pekali 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 bawah suhu penyonsangan Joule-Thomson (kira-kira 32 ke 50 K bertekanan 1 atmosfera). Apabila diprasejukkan di bawah suhu ini, helium boleh dicecairkan melalui penyejukan pengembangan.
Kebanyakan helium di angkasa ditemui dalam bentuk plasma 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 dalam angin suria bertindak balas dengan magnetosfera Bumi dan membentuk arus-arus Birkeland dan aurora.

Keadaan helium I

Isotop helium-4 wujud dalam keadaan cecair tidak berwarna biasa yang dikenali dengan nama helium I di bawah takat didihnya 4.22 K dan di atas titik lambdanya 2.1768 K. Seperti cecair-cecair kriogenik yang lain, helium I mendidih apabila dipanaskan dan mengecut apabila suhunya direndahkan.
Helium I mempunyai indeks pembiasan seperti gas, 1.026. Ini menjadikan permukaannya terlalu sukar untuk dilihat sehinggakan pelampung-pelampung styrofoam perlu digunakan untuk menunjukkan kedudukan permukaan cecair ini. Cecair tidak berwarna ini mempunyai kelikatan yang sangat rendah iaitu 0.145–0.125 g/mL (antara 0 dan 4 K); nilai ini hanya satu perempat daripada nilai yang diramalkan daripada fizik klasik. Mekanik kuantum diperlukan untuk menjelaskan sifat ini. Oleh itu, kedua-dua jenis helium cecair dipanggil bendalir 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.

Keadaan helium II

Apabila helium cecair disejukkan di bawah titik lambdanya, ia dikenali sebagai helium II dan mula menunjukkan ciri-ciri luar biasa. Helium II tidak boleh mendidih disebabkan daya pengaliran termanya yang tinggi; jika haba dikenakan ke atas helium II, ia akan terus mengewap kepada bentuk gas. Helium-3 juga mempunyai fasa bendalir lampau, tetapi hanya di suhu yang lebih rendah; kesannya, tidak banyak yang diketahui tentang ciri-ciri seperti itu dalam isotop ini.
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 mempunyai kelikatan yang boleh diukur. Namun, apabila ukuran diambil daripada dua cakera bergerak, satu kelikatan yang lebih kurang dengan kelikatan gas helium telah diperoleh. Teori kini menjelaskannya dengan model dua bendalir untuk helium II. Dalam model ini, helium cecair di bawah titik lambda dilihat seperi ia mempunyai sebahagian atom helium dalam keadaan asas yang merupakan bendalir lampau dan mengalir dengan tepat sifar kelikatan, dan sebahagian atom helium dalam keadaan teruja yang berkelakuan lebih seperti bendalir biasa.
Dalam kesan air pancut, satu bekas yang disambungkan dengan satu takungan helium II oleh satu cakera tersinter 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.
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 daripada kuprum. Ini kerana pengaliran haba berlaku dengan mekanisma kuantum yang luar biasa. Kebanyakan bahan yang mengalirkan haba dengan baik mempunyai jalur 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 dengan persamaan 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 sebagai bunyi kedua.
Helium II juga memiliki sifat merayap. Apabila satu permukaan dijangkau melepasi paras helium II, helium II akan merayap di atas permukaan ini melawan daya graviti. 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 30 nm tidak kira jenis bahan permukaan. Lapisan ini dikenali sebagai filem Rollin dan dinamakan sempena orang yang pertama kali mencirikan sifat ini, Bernard V. Rollin. 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 dengan gelombang graviti dalam air yang cetek, tetapi berbanding graviti, daya yang mengembalikan semula ialah daya van der Waals. Gelombang ini dikenali sebagai bunyi ketiga.

Kelimpahan semula jadi

Walaupun helium tidak banyak di Bumi, ia adalah unsur kedua terbanyak dalam alam semesta yang diketahui (selepas hidrogen) dan membentuk kira-kira 23% jisim barionnya. Sejumlah besar helium terhasil dalam sintesis nuklear Letupan Besar yang berlaku lebih kurang tiga minit selepas kejadian Letupan Besar. Oleh itu, pengiraan kelimpahannya menyumbang kepada model-model kosmologi. Di dalam bintang-bintang, ia terbentuk melalui pelakuran nuklear hidrogen di dalam tindak balas berantai proton-proton dan kitaran CNO yang merupakan sebahagian daripada sintesis nuklear najam.
Di dalam atmosfera Bumi, kepekatan helium mengikut isipadu hanyalah 5.2 bahagian per sejuta. Kepekatannya rendah dan agak malar meskipun penghasilan helium yang berterusan kerana kebanyakan helium di atmosfera Bumi terlepas ke angkasa melalui beberapa proses. Di dalam heterosfera Bumi (sebahagian daripada atmosfera atas), helium dan gas-gas ringan yang lain adalah unsur yang paling banyak.
Kebanyakan helium di Bumi terhasil daripada pereputan radioaktif. Helium ditemui dengan banyaknya di dalam mineral-mineral uranium dan torium seperti kleveit, pitchblende, karnotit dan monazit 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 seluruh litosfera. 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 di mata-mata air mineral, gas gunung berapi dan besi 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 di Daerah San Juan, New Mexico.

Pengekstrakan moden dan pengagihan

Bagi kegunaan berskala besar, helium diekstrak melalui penyulingan berperingkat gas asli yang boleh mengandungi sehingga 7% helium. Oleh kerana helium mempunyai takat didih yang lebih rendah daripada mana-mana unsur lain, suhu rendah dan tekanan tinggi digunakan untuk mencecairkan hampir semua gas lain (kebanyakannya nitrogen dan metana). 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%. Bendasing utama dalam helium Gred A adalah neon. Dalam langkah penghasilan yang terakhir, kebanyakan helium yang terbentuk dicecairkan melalui proses kriogenik. 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.
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. Di Amerika Syarikat, kebanyakan helium diekstrak daripada gas asli di Kawasan Gas Asli Hugoton dan medan-medan gas berdekatan di Kansas, Oklahoma dan Texas. Kebanyakan gas ini pernah dihantar melalui paip ke Rizab 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 melalui membran separa telap khas dan pengadang-pengadang lain. Pada tahun 1996, Amerika Syarikat mempunyai rizab-rizab helium yang terbukti ada, yang mengandungi kira-kira 147 bilion kaki padu piawai (4.2 bilion SCM) di dalam kompleks-kompleks telaga gas seperti ini. 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 yang masih belum dibuktikan di A.S. adalah kira-kira 31-35 trilion SCM, atau 1000 kali ganda jumlah rizab yang terbukti ada.
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. Helium boleh disintesis melalui pelanggaran sama ada litium atau boron dengan proton berkelajuan tinggi, tetapi proses ini adalah sangat tidak menguntungkan.
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 11,000 gelen 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 282 kaki 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).

Penyokong pemuliharaan helium

Menurut penyokong pemuliharaan helium seperti Robert Coleman Richardson, harga pasaran helium yang bebas telah menyumbang kepada penggunaan helium yang "membazir" (misalnya dalam belon 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. 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.

Penggunaan

Helium digunakan dalam pelbagai tujuan yang memerlukan sesetengah ciri-ciri uniknya seperti takat didih rendah, ketumpatan rendah, kebolehlarutan rendah, pengaliran terma yang tinggi, atau kenadiran. 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 pengimbas MRI. 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.

Atmosfera terkawal

Helium digunakan sebagai gas pelindung dalam pertumbuhan kristal silikon dan germanium, dalam penghasilan titanium dan zirkonium, dan dalam kromatografi gas kerana gas ini nadir. Disebabkan kenadirannya, sifatnya yang sempurna dari segi terma dan kalori, kelajuan bunyinya yang tinggi dan nilai nisbah kapasiti habanya yang tinggi, ia juga berguna dalam terowong angin supersonik dan kemudahan impuls.

Pengesan kebocoran industri

Salah satu kegunaan industri bagi helium ialah pengesanan kebocoran. Oleh sebab helium membaur melalui pepejal tiga kali lebih pantas daripada udara, ia digunakan sebagai gas pengesan untuk mengesan kebocoran di dalam peralatan-peralatan vakum tinggi (seperti tangki kriogenik) dan tangki-tangki bertekanan tinggi. 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.
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.

Penerbangan

Oleh kerana ia lebih ringan daripada udara, kapal-kapal udara dan belon-belon diisi dengan helium untuk memperoleh daya angkat. Walaupun gas hidrogen 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 dalam sains roket, di mana helium digunakan sebagai medium pengisi kekosongan yang menggantikan tempat bahan api dan bahan pengoksida dalam tangki simpanan, dan untuk memeluwapkan hidrogen dan oksigen untuk membentuk bahan api roket. Ia juga digunakan untuk menyingkirkan bahan api dan bahan pengoksida daripada peralatan bantuan bumi sebelum pelancaran dan untuk menyejuk sebelum hidrogen cecair dalam kenderaan luar angkasa. Misalnya, roket Saturn V yang digunakan dalam program Apollo memerlukan kira-kira 370,000 m³ (13 juta kaki³) helium untuk dilancarkan.

Kegunaan rekreasi dan komersial kecil

Sebagai gas pernafasan, helium tidak mempunyai sifat-sifat narkotik, oleh itu campuran-campuran helium seperti trimix, heliox dan heliair digunakan dalam penyelaman laut dalam bagi mengurangkan kesan narkosis. Pada kedalaman melebihi 150 meter (490 kaki), penyelam yang bernafas campuran gas helium–oksigen akan mula mengalami sindrom saraf tekanan tinggi; penyelam akan mula terketar-ketar dan fungsi psikomotornya akan menurun. Kesan-kesan ini boleh diatasi sedikit sebanyak dengan menambahkan jumlah tertentu gas narkotik seperti hidrogen atau nitrogen ke dalam campuran gas helium–oksigen. Pada kedalaman sebegini, ketumpatan rendah helium didapati mengurangkan kesukaran bernafas dengan banyak.
Laser helium–neon, sejenis laser berkuasa rendah yang menghasilkan pancaran berwarna merah, mempunyai pelbagai kegunaan praktikal termasuklah sebagai pembaca kod bar dan penunjuk laser, sebelum ia digantikan hampir secara meluas oleh laser diod yang lebih murah.
Disebabkan sifat helium yang lengai, tinggi keraliran haba dan kelutsinaran terhadap neutron, serta tidak membentuk isotop radioaktif dalam persekitaran reaktor, helium digunakan sebagai medium pemindah haba dalam sesetengah reaktor nuklear yang disejukkan gas.
Helium yang dicampurkan dengan gas yang lebih berat seperti xenon berguna bagi tujuan penyejukan termoakustik kesan daripada nisbah muatan haba yang tinggi dan angka Prandtl rendah hasil daripada gabungan kedua-dua gas. Kelengaian helium mempunyai kelebihan dari segi persekitaran berbanding sistem-sistem penyejukan konvensional yang menyumbang kepada penipisan lapisan ozon atau pemanasan global.
Helium juga digunakan dalam sesetengah pemacu cakera keras.

Kegunaan saintifik

Penggunaan helium mengurangkan kesan herotan yang berpunca daripada perbezaan suhu di dalam ruang antara kanta dalam sesetengah teleskop, disebabkan oleh indeks biasan helium yang amat rendah. Kaedah ini selalunya digunakan dalam teleskop suria di mana tiub teleskop kedap vakum akan menjadi terlalu berat.
Helium ialah gas pengangkut yang biasa digunakan bagi kromatografi gas.
Usia batuan dan mineral yang mengandungi uranium dan torium boleh dianggarkan dengan mengira jumlah helium dalam proses yang dikenali sebagai pentarikhan helium.
Helium pada suhu yang rendah digunakan dalam kriogenik, dan dalam beberapa kegunaan kriogenik. Antara contoh penggunaannya ialah penyejukan logam-logam tertentu menggunakan helium cecair sehingga mencapai suhu yang teramat rendah yang diperlukan bagi keberaliran lampau, seperti dalam magnet pengalir lampau bagi tujuan pengimejan resonans magnet. Pelanggar Hadron Besar (LHC) di CERN menggunakan 96 tan metrik helium cecair untuk mengekalkan suhunya pada 1.9 kelvin.

Bahaya

Helium jika disedut boleh jadi bahaya jika ia berlebihan disebut, kerana helium ialah gas penyesak ringkas dan boleh menggantikan oksigen di dalam peparu yang diperlukan bagi proses pernafasan normal. 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. Pada tahun 1998, seorang perempuan Australia (usia tidak diketahui) dari Victoria telah pengsan dan kulitnya bertukar biru setelah menyedut keseluruhan isi belon parti. Menyedut helium tulen secara berterusan akan menyebabkan kematian disebabkan asfiksia dalam beberapa minit. Ini digunakan dalam reka bentuk beg bunuh diri.
Menyedut helium secara terus daripada silinder bertekanan adalah teramat berbahaya kerana kadar aliran yang tinggi dari silinder boleh menyebabkan barotrauma dan meletupkan tisu-tisu peparu sehingga membawa maut.
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.
Di Amerika Syarikat, hanya dua kematian disebabkan helium dilaporkan antara 2000 hingga 2004, termasuklah kematian seorang lelaki di Carolina Utara disebabkan barotrauma pada 2002. 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. Sejak itu, dua orang dewasa telah tersesak nafas di Florida Selatan pada 2006, dan terdapat beberapa kes pada 2009 dan 2010, satunya melibatkan belia California yang ditemui dengan sebuah beg di kepalanya, bersambung dengan tangki helium dan seorang lagi remaja di Ireland Utara mati disebabkan asfiksia. Di Eagle Point, Oregon seorang remaja perempuan mati pada tahun 2012 disebabkan barotrauma ketika berada di sebuah parti. Seorang perempuan dari Michigan mati akibat hipoksia kemudiannya dalam tahun itu.
Isu keselamatan bagi helium kriogen adalah serupa dengan nitrogen cecair; suhunya yang teramat rendah boleh menyebabkan bakaran 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 kerana pengembangan terma yang pantas dan ketara yang berlaku apabila gas helium pada suhu kurang daripada 10 K dipanaskan pada suhu bilik.
Pada tekanan tinggi (melebihi 20 atm atau 2 MPa), campuran helium dan oksigen (heliox) boleh menyebabkan sindrom saraf tekanan tinggi, sejenis kesan anestetik terbalik; masalah ini boleh ditangani dengan memasukkan sedikit nitrogen ke dalam campuran tersebut.