Helium
Terdapat setidaknya delapan isotop helium yang diketahui, namun hanya helium-3 dan helium-4 yang stabil. Di atmosfer Bumi, hanya terdapat satu atom 3He untuk setiap satu juta atom 4He. Tidak seperti unsur lainnya, keberlimpahan isotop helium bervariasi tergantung pada asal usulnya karena proses pembentukan yang berbeda-beda. Isotop yang paling banyak adalah
helium-4 dan dibentuk di Bumi melalui peluruhan alfa unsur-unsur radioaktif yang lebih berat. Partikel alfa yang muncul dari peluruhan ini berbentuk inti helium-4 yang terionisasi penih. Helium-4 memiliki stabilitas inti yang tidak lazim karena nukleonnya tersusun secara penuh. Helium-4 juga terbentuk dalam jumlah yang sangat banyak semasa nukleosintesis Ledakan Dahsyat.
Helium-3 terdapat di Bumi hanya dalam jumlah sekelumit; kebanyakan sudah ada saat pembentukan Bumi, walaupun beberapa jatuh ke Bumi terperangkap dalam debu kosmik. Sekelumit helium-3 juga terbentuk melalui peluruhan beta tritium. Batu-batuan yang berasal dari kerak Bumi memiliki rasio isotop helium yang bervariasi, dan rasio-rasio ini digunakan untuk
menginvestigasi asal usul batuan dan komposisi mantel Bumi. 3He lebih berlimpah di bintang sebagai produk fusi nuklir. Oleh sebab itu, dalam medium antarbintang, proporsi 3He terhadap 4He adalah sekitar 100 kali lebih tinggi daripada proporsinya di Bumi. Materi-materi yang berasal dari luar planet seperti bulan dan asteroid memiliki sekelumit helium-3 yang berasal dari penumbukan
badai matahari. Permukaan bulan mengandung helium-3 dalam konsentrasi tingkat besaran 0.01 ppm. Jumlah ini lebih tinggi daripada yang ditemukan di atmosfer Bumi sekitar 5 ppt (bagian per triliun).
Helium-4 cair dapat didinginkan sampai dengan temperatur sekitar 1 K menggunakan pendinginan evaporatif. Menggunakan proses pendinginan yang sama, helium-3 dapat mencapai temperatur sekitar 0.2 K. Pada temperatur lebih rendah daripada 0.8 K, campuran cairan 3He dan 4He dalam jumlah yang sama akan memisah dengan sendirinya menjadi dua fase yang tak taercampurkan. Hal ini disebabkan oleh
ketidakserupaan kedua isotop tersebut, yakni secara kuantum atom helium-4 termasuk boson, sedangkan atom helium-3 termasuk fermion.
Isotop-isotop helium eksotik lainnya dapat pula terbentuk, namun semuanya akan dengan cepat meluruh menjadi unsur lainnya. Isotop helium yang berparuh waktu tersingkat adalah helium-5 dengan waktu paruh 7.6  1022 detik. Helium-6 meluruh dengan mengemisi partikel beta dan berwaktu paruh 0.8detik. Helum-7 juga mengemisi partikel beta selain sinar gama. Helium-7 dan helium-8
terbentuk dalam reaksi nuklir tertentu. Helium-6 dan helium-8 dikenal baik memperlihatkan halo nuklir.
Helium memiliki valensi kimia nol, sehingga tidak akan bereaksi secara kimiawi dalam kondisi normal. Helium merupakan insulator listrik yang baik, terkecuali jika ia diionisasikan. Seperti gas mulia lainnya, helium memiliki aras energi metastabil yang mengizinkannya tetap terionisasi dengan voltase di bawah potensial ionisasinya. Helium dapat membentuk
senyawa yang tidak stabil, dikenal sebagai eksimer, dengan tungsten, yodium, fluorin, sulfur, dan fosforus ketika terkena lucutan pijar, tumbukan elektron, maupun plasma dari sebab lainnya. Senyawa HeNe, HgHe10, WHe2, dan ion He, He, HeH, dan HeD telah berhasil dibentuk melalui cara ini. HeH+ stabil dalam keadaan dasarnya, namun sangat reaktif. Senyawa ini
merupakan asam Brnsted yang paling kuat, sehingganya hanya dapat ditemukan dalam keadaan terisolasi karena ia akan memprotonasi molekul manapun jika berkontak dengannya. Secara teoretis, senyawa lainnya juga dimungkinkan terbentuk, seperti misalnya helium fluorohidrida (HHeF) yang beranalogi dengan senyawa HArF yang ditemukan pada tahun 2000.
Hasil perhitungan teoretis menunjukkan bahwa dua senyawa yang mengandung ikatan helium-oksigen juga mungkin stabil. Dua spesi molekul baru yang diprediksikan menggunakan teori, CsFHeO dan N (CH3) 4FHeO, merupakan turunan dari anion metastabil [F- HeO] yang diteorikan pada tahun 2005 oleh sekelompok ilmuwan Taiwan. Jika berhasil dikonfirmasikan secara eksperimental,
senyawa-senyawa ini akan meruntuhkan keinertan helium dan hanya menyisakan neon sebagai satu-satunya unsur yang inert.
Helium juga telah berhasil dimasukkan ke dalam molekul sangkar fulerena dengan memanaskannya dalam tekanan tinggi. Ketika senyawa turunan fulerena ini disintesis, helium yang terperangkap akan tetap ada. Jika helium-3 digunakan, senyawa ini akan dapat terpantau menggunakan spektroskopi resonansi magnetik nuklir. Banyak senyawa fulerena berkandung helium-3 yang telah
dilaporkan sintesisnya. Walaupun dalam hal ini atom helium tidak terikat secara kovalen maupun ionik, senyawa seperti ini memiliki sifat-sifat yang khas dan komposisi senyawa yang pasti seperti senyawa kimia lainnya.
Walaupun cukup jarang ditemukan di Bumi, helium adalah unsur paling berlimpah kedua setelah hidrogen di alam semesta, mencakupi 23% massa barion alam semesta. Mayoritas helium yang ada di alam semesta terbentuk dari nukleosintesis Ledakan dahsyat satu sampai tiga menit setelah Ledakan Dahsyat. Dalam bintang, helium terbentuk dari fusi nuklir hidrogen melalui reaksi rantai proton-proton dan siklus CNO yang merupakan bagian dari nukelosintesis bintang.
Dalam atmosfer Bumi, konsentrasi helium berdasarkan volumenya hanya sekitar 5.2 bagian per juta. Konsentrasi helium bumi cukup rendah dan konstan walaupun helium baru terus terbentuk. Hal ini dikarenakan kebanyakan helium yang berada di atmosfer Bumi lolos dari gaya gravitasi bumi dan lepas ke luar angkasa. Di heterosfer Bumi, helium dan gas yang lebih ringan lainnya merupakan unsur yang paling berlimpah.
Kebanyakan helium yang ditemukan di Bumi merupakan hasil produk peluruhan radioaktif. Helium ditemukan dalam jumlah besar dalam mineral uranium dan torium, termasuk kleveit, uraninit. karnotit, dan monazit, karena mineral-mineral ini mengemisi partikel alfa (inti helium He2+). Sesegara partikel ini bertumbukan dengan batuan, elektron akan bergabung dengan inti dan membentuk gas helium.
Diperkirakan sekitar 3000 ton helium dihasilkan per tahun melalui proses ini. Dalam kerak Bumi, konsentrasi heliumnya adalah sekitar 8 bagian per miliar. Dalam air laut, konsentrasinya hanya sekitar 4 bagian per triliun. Konsentrasi helium yang terbesar di Bumi ditemukan dalam keadaan terperangkap bersamaan dengan gas alam. Dari sinilah kebanyakan helium komersial diekstraksi. Konsentrasinya
bervariasi antara beberapa ppm sampai dengan lebih dari 7% seperti yang ada di ladang gas San Juan County, New Mexico.
Untuk penggunaan dalam skala besar, helium diekstraksi menggunakan distilasi fraksional gas alam, yang dapat mengandung 7% helium. Karena helium memiliki titik didih yang lebih rendah daripada unsur manapun, temperatur rendah dan tekanan tinggi yang digunakan akan mencairkan hampir semua gas lainnya (kebanyakan nitrogen dan metana). Gas helium bruto yang dihasilkan oleh distilasi fraksional kemudian dimurnikan
dengan cara menurunkan temperatur gas secara berulang, sehingga kebanyakan nitrogen dan gas lainnya yang masih tersisa akan mengendap keluar dari campuran gas. Arang aktif digunakan dalam langkah akhir pemurnian, yang kemudian akan menghasilkan helium dengan kemurnian 99.995%.. Kebanyakan helium yang diproduksi dicairkan melalui proses kriogenik. Pencairan ini diperlukan dalam berbagai aplikasi yang
memerlukan helium cair, selain itu, pencairan helium juga memungkinkan para penyuplai gas memotong biaya transpor gas.
Pada tahun 2008, sekiranya 169 juta meter kubik standar helium diekstraksi dari gas alam ataupun ditarik dari cadangan helium yang disimpan. Dari keseluruhan produksi helium dunia, 78%-nya berasal dari Amerika Serikat, 10% Aljazair, dan sisanya dari Rusia, Polandia, dan Qatar. Di Amerika Serikat, kebanyakan heliumnya diekstraksi dari gas alam Hugoton dan ladang gas sekitar Kansas, Oklahoma, dan Texas.