Helium
Semua unsur-unsur yang lebih berat lainnya (termasuk unsur-unsur yang diperlukan untuk membentuk planet seperti Bumi ataupun kehidupan) oleh karenanya terbentuk setelah peristiwa Ledakan Dahsyat di dalam bintang yang memiliki temperatur yang cukup panas untuk menjalankan fusi helium dengan sendirinya. Semua unsur selain hidrogen dan helium yang ada sekarang hanya mencakupi 2% massa materi alam semesta. Sebaliknya, helium-4 menduduki sekitar 23% materi biasa alam semesta.
Helium adalah gas mulia yang paling tidak reaktif setelah neon, dan karenanya merupakan unsur yang paling tidak reaktif kedua dari semua unsur-unsur; Helium bersifat inert dan monoatomik di bawah semua kondisi standar. Dikarenakan massa atom molar helium yang relatif rendah, konduktivitas termal helium, kalor jenis helium, dan kelajuan suara dalam gas helium lebih besar
daripada gas lainnya terkecuali hidrogen. Ukuran atom helium juga sangat kecil, sehingga laju difusi helium dalam zat padat tiga kali lebih cepat daripada udara biasa dan kelajuannya 65% daripada laju difusi hidrogen.
Helium adalah gas monoatomik yang paling tidak larut dalam air. Indeks refraksi helium juga merupakan yang paling mendekati nilai satu daripada indeks refraksi gas lainnya. Helium memiliki nilai koefisien Joule-Thomson yang negatif pada temperatur normal, yang berarti ia akan memanas ketika dibiarkan memuai dengan bebas. Ia akan mendingin apabila memuai pada temperatur
yang lebih rendah daripada temperatur inversi Joule-Thomson, yakni sekitar 32 sampai dengan 50 K pada 1 atmosfer. Seketika helium didinginkan di bawah temperatur ini, helium dapat dicarikan melalui pendinginan pemuaian.
Kebanyakan helium luar angkasa ditemukan dalam keadaan plasma dengan sifat-sifat yang berbeda daripada yang ditemukan pada helium atomik. Dalam keadaan plasma, elektron helium tidak terikat pada intinya, mengakibatkan konduktivitas helium plasma yang sangat tinggi. Partikel bermuatan ini sangat dipengaruhi oleh medan magnet dan listrik. Sebagai contoh, pada saat badai matahari, helium
yang terionisasi beserta hidrogen yang terionisasi berinteraksi dengan magnetosfer bumi dan menghasilkan arus Birkeland dan fenomena aurora.
Tidak seperti unsur-unsur lainnya, helium akan tetap berwujud cair pada nol mutlak dan tekanan normal. Hal ini merupakan efek langsung dari mekanika kuantum: utamanya, energi titik nol sistem terlalu tinggi bagi sistem untuk memadat. Helium dapat dipadatkan pada temperatur 1-1.5K (sekitar 272 °C) dan tekanan 25 bar (2.5 MPa). Sangatlah sulit untuk membedakan helium padat dengan
helium cair karena indeks refraksi kedua fase tersebut hampir sama. Helium padat memiliki struktur kristal dan rentangan titik lebur yang sangat kecil. Selain itu, ia juga dapat dikompreskan; apabila diberikan tekanan, volumenya akan menurun lebih dari 30%. Dengan nilai modulus limbak sekitar 27 MPa, helium padat 100 kali lebih termampatkan daripada air. Helium padat memiliki massa jenis 0.2140.006
g/cm3 pada 1.15K dan 66atm; diproyeksikan massa jenisnya mencapai 0.1870.009 g/cm3 pada 0 K dan 25 bar (2.5 MPa).
Pada suhu di bawah titik didihnya sebesar 4.2 K dan di atas titik lambdanya 2.1768 K, isotop helium-4 berwujud cairan tak berwarna, yang disebut helium I. Sama seperti cairan kriogenik lainnya, helium I mendidih ketika dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan.
Heliu I memiliki indeks refraksi seperti gas senilai 1.026, yang menyebabkan permukaannya sulit untuk dilihat, sehingga umumnya busa polistirena yang mengambang digunakan untuk mendeteksi dimana permukaan cairan ini berada. Helium I memiliki viskositas yang sangat rendah dan massa jenis sekitar 0.145-0.125 g/mL (antara 0 sampai 4 K), yang nilainya hanya seperempat dari
nilai yang diteorikan menurut fisika klasik. Mekanika kuantum diperlukan untuk menjelaskan disparitas ini dan oleh karena itu, baik cairan helium-I dan-II disebut sebagai fluida kuantum, yang berarti bahwa keduanya memperlihatkan sifat-sifat atomik kuantum pada skala makroskopik. Hal ini merupakan efek dari nilai titik didihnya yang sangat mendekati nol
mutlak, sehingga menghalangi gerakan acak molekul (energi termal) untuk menyembunyikan sifat-sifat atomiknya.
Helium cair yang berada dalam keadaan di bawah titik lambdanya mulai menunjukkan sifat-sifat yang tak lazim. Helium dalam keadaan ini disebut sebagai helium II. Pendidihan helium II tidak dimungkinkan oleh karena konduktivitas termalnya yang sangat tinggi; pemanasan yang diberikan pada helium II akan menyebabkan penguapan secara langsung menjadi gas. Helium-3 juga
mempunyai fase superfluida, namun pada temperatur yang lebih rendah; oleh karena itu, tidaklah diketahui banyak sifat-sifat superfluida isotop helium-3.
Helium II merupakan superfluida, yaitu keadaan mekanika kuantum materi yang bersifat tak lazim. Sebagai contohnya, fluida ini akan mengalir melalui tabung kapiler setipis 107 sampai dengan 108 m namun tetap tidak terukur viskositasnya. Namun, ketika pengukuran dilakukan antara dua cakram yang bergerak, nilai viskositasnya yang sama dengan gas helium akan
terukur. Teori terkini menjelaskan hal ini menggunakan model dua fluida untuk helium II. Dalam model ini, helium cair di bawah titik lambdanya dipandang mengandung sebagian atom helium dalam keadaan dasar yang bersifat superfluida dan mengalir dengan nilai viskositas persis nol, dan sebagian lainnya dalam keadaan tereksitasi, yang berperilaku sama seperti cairan biasa lainnya.
Efek tak lazim helium II dapat terpantau pada efek muncrat helium II. Dalam efek muncrat, suatu bilik dibangun dan tersambung dengan tandon helium II melalui cakram sinter. Helium superfluida akan menembus ke dalam bilik dengan mudahnya tetapi helium non-superfluida tidak akan menembusnya. Jika interior bilik dipanaskan, helium superfluda akan berubah menjadi helium
non-superfluida. Agar dapat menjaga kesetimbangan helium superfluida, helium superfluida akan masuk ke dalam bilik dan meningkatkan tekanan, mengakibatkan cairan muncrat keluar dari bilik.
Helium II memiliki konduktivitas termal yang paling besar daripada zat apapun yang diketahui. Konduktivitasnya satu juta kali lebih besar daripada konduktivitas termal helium I dan beberapa ratus kali lipat daripada konduktivitas termal tembaga. Hal ini dikarenakan penghantaran kalor terjadi karena mekanisme kuantum yang khusus. Kebanyakan materi yang menghantarkan kalor dengan baik memiliki pita
valensi elektron bebas yang menghantarkan kalor. Helium II tidak memiliki pita valensi seperti itu namun menghantarkan kalor dengan baik. Penghantaran kalor pada helium II diatur oleh persamaan yang mirip dengan persamaan gelombang yang digunakan untuk mengkarakterisasikan perambatan bunyi dalam udara. Ketika kalor diberikan, kalor akan terhantarkan 20 meter per detik pada 1.8 K sebagai gelombang. Fenomena ini dikenal sebagai bunyi kedua.
Helium II juga menunjukkan efek menjalar. Ketika helium ditampung dalam dinding wadah yang tinggi, helium II akan bergerak menjalar ke seluruh permukaan wadah melawan gaya gravitasi. Helium II akan lolos dari wadah penampung yang tidak sumbat dengan menjalar ke sisi-sisi penampung sampai ia mencapai daerah yang lebih hangat dan menguap. Penjalaran helium II ini bergerak
dalam bentuk lapisan film helium setebal 30 nm yang tak tergantung pada bahan permukaan. Lapisan film ini disebut sebagai film Rollin dan dinamakan atas penemunya, Bernard V. Rollin. Diakibatkan oleh perilaku penjalaran dan kemampuan helium untuk bocor melalui pori-pori yang sangat kecil, sangatlah sulit untuk menampung dan menyimpan helium cair. Gelombang yang merambat dalam film Rollin diatur oleh
persamaan yang sama dengan persamaan gelombang gravitasi dalam air yang dangkal. Namun dalam hal ini, gaya pemulihnya bukanlah gravitasi, melainkan gaya van der Waals. Gelombang ini dikenal sebagai bunyi ketiga'.