هلیوم

هِلیوم یا هلیُم  یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲ و جرم اتمی ۴٫۰۰۲۶۰۲ است. این عنصر، بی‌بو، بی‌رنگ، بی‌مزه، غیرسمّی و از دیدگاه شیمیایی بی‌اثر و تک اتمی است که در جدول تناوبی در بالای گروه گازهای نجیب جا دارد. دمای ذوب و جوش این ماده در میان دیگر عنصرها بسیار پایین است، به‌همین دلیل در دمای اتاق و البته در بیشتر موارد به صورت گازی است مگر اینکه تحت شرایط بسیار ویژه‌ای قرار داشته باشد.

واژهٔ هلیوم از واژهٔ یونانی هلیوس، به معنای «ایزد خورشید» گرفته شده‌است. زمانی که هنوز هلیوم شناخته نشده بود، ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در جریان خورشیدگرفتگی سال ۱۸۶۸ برای نخستین بار در طیف‌بینی نور خورشید، خط زرد طیفی هلیوم را دید. در جریان همان خورشیدگرفتگی، نورمن لاکیر پیشنهاد کرد این خط زرد می‌تواند به دلیل یک عنصر تازه باشد. دو شیمی‌دان سوئدی با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت در سال ۱۸۹۵ این عنصر را شناسایی و اعلام کردند. آن‌ها هلیوم را از سنگ کلویت که کانی اورانیوم است، به‌دست آوردند. در سال ۱۹۰۳ منابع بزرگ هلیوم در میدان‌های گازی ایالات متحده پیدا شد.

هلیوم، بعد از هیدروژن، هم از نظر سبکی و هم از نظر فراوانی، دومین عنصر کیهان است، گرچه با وجود کاربردهای بسیار مهم و حیاتی که دارد، بر روی زمین بسیار کمیاب است. نزدیک به ۲۴٪ از جرم گیتی، سهم این عنصر است که این مقدار بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصرهای سنگین است. هلیوم به همان صورت که در خورشید و مشتری یافت می‌شود، در جهان پیدا می‌شود و این به دلیل انرژی بستگی (به ازای هر هسته) بسیار بالای هلیوم-۴ نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن، در جدول تناوبی است. بیشتر هلیوم موجود در کیهان، هلیوم-۴ است و گمان می‌رود که در جریان مه‌بانگ پدید آمده باشد. امروزه با کمک واکنش‌های همجوشی هسته‌ای در ستاره‌ها، گونه‌های تازه‌ای از هلیوم ساخته شده‌است.

هلیوم در هواکُرهٔ زمین بسیار کمیاب است و بیشتر هلیومی که در خاک زمین پیدا می‌شود، در اثر واپاشی هسته‌ای طبیعی در عنصرهای سنگین پرتوزا مانند اورانیوم و توریوم پدید آمده‌است؛ به این ترتیب که در اثر واپاشی، ذره‌های بتا از عنصر تابیده شده و هستهٔ هلیوم-۴ به‌دست آمده‌است. هلیومِ به‌دست آمده از واپاشی، به‌آسانی به صورت فشرده با درصدی نزدیک به ۷٪ حجمی، در دام گاز طبیعی گرفتار می‌شود. سپس می‌توان با روش‌های صنعتی و به صورت تجاری با کاهش دمای آمیختهٔ هلیوم و گاز طبیعی، آن را از دیگر گازها به روش تقطیر جزء به جزء جدا ساخت.

هلیوم در بسیاری از صنایع در سطح جهانی استفاده می‌شود و استفاده از آن در همه زمینه‌های تحقیقات علمی و محیط‌های تجاری، از جمله داروسازی، پزشکی، جوشکاری، علوم رایانه، اکتشافات فضایی وجود دارد. یکی از کاربردهای مهم هلیوم در سرماشناسی است و نزدیک به یک-چهارم هلیوم تولیدی در این زمینه بکار می‌رود. در مواردی که دمای زیر ۲۶۱٫۱- درجه سانتیگراد (۴۲۹- درجه فارنهایت) مورد نیاز باشد هیچ جایگزینی برای آن وجود ندارد. قدرت خنک‌کنندگی هلیوم مایع به این معنی است که این عنصر یک عنصر حیاتی و غیرقابل تعویض در بسیاری از اجزای مهم و مدرن است. عمده‌ترین مصرف‌کنندگان صنعتی جهانی هلیوم مایع، صنایع پزشکی، هوافضا و الکترونیک هستند. صنعت پزشکی بزرگ‌ترین مصرف‌کننده است و عمدتاً از هلیوم برای حفظ خواص ابررسانایی آهن‌ربا در کاربردهایی مانند تصاویر تشدید مغناطیسی (MRI) و تجهیزات طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) استفاده می‌کند.

تاریخچه

اکتشافات علمی 

نخستین نشانهٔ هلیوم در ۱۸ اوت سال ۱۸۶۸ به صورت یک میلهٔ زرد رنگ در طول موج ۵۸۷٫۴۹ نانومتر در طیف‌سنجی فام‌سپهر خورشید دیده شد. این خط زرد رنگ را ستاره‌شناس فرانسوی ژول ژانسن در هنگام یک خورشیدگرفتگی کامل در گونتور هند شناسایی کرد. نخست گمان برده شد که شاید این خط زرد، سدیم است. در ۲۰ اکتبر همان سال، ستاره‌شناس انگلیسی، نورمن لاکیر یک خط زرد رنگ در طیف‌سنجی نور خورشید پیدا کرد و چون این خط نزدیک به خط‌های شناخته شدهٔ D۱ و D۲ سدیم بود، آن را D۳ خط‌های فرانهوفر نامید. او حدس زد که این خط باید توسط یک عنصر درون خورشید که در زمین ناشناخته‌است، پدید آمده باشد. لاکیر و شیمی‌دان انگلیسی ادوارد فرانکلند واژهٔ یونانی ایلیوس (یا هلیوس) به معنی «خورشید» را برای این عنصر برگزیدند.
در ۱۸۸۱، فیزیک‌دان ایتالیایی، لوئیجی پالمیری، هنگامی که خط‌های طیفی D۳ گدازه‌های آتشفشان وزوو را پردازش می‌کرد توانست برای نخستین بار هلیوم را در زمین شناسایی کند.

در ۲۶ مارس ۱۸۹۵ شیمی‌دان اسکاتلندی ویلیام رمزی توانست، هلیوم کانی کلویت را با کمک اسیدهای معدنی به دام اندازد. کلویت، آمیخته‌ای از اورانینیت و دست کم ۱۰٪ عنصرهای خاکی کمیاب است. رمزی در جستجوی آرگون بود، اما پس از جداسازی نیتروژن و اکسیژن از گاز آزاد شده با کمک اسید سولفوریک، در طیف‌سنجی خود به یک خط زرد روشن رسید که با خط D۳ دیده شده در طیف‌سنجی خورشید هماهنگ بود. این نمونه‌ها از سوی لاکیر و فیزیک‌دان بریتانیایی، ویلیام کروکز به عنوان هلیوم شناسایی شد. در همان سال به صورت مستقل، دو شیمی‌دان با نام‌های پر تئودر کلیو و نیلز آبراهام لانگلت، در اوپسالای سوئد توانستند هلیوم کلویت را به دام اندازند. اندازه گازی که آن‌ها جمع‌آوری کردند، برای اندازه‌گیری دقیق وزن اتمی آن کافی بود. دانشمند آمریکایی زمین‌شیمی، ویلیام فرانسیس هیله‌براند پیش از دست‌آورد رمزی، هنگام طیف‌سنجی نمونه کانی‌های اورانینیت دریافته بود که خط‌های طیفی غیرمعمولی در نتیجه‌هایش پیدا می‌شود. اما هیلبرند گمان کرد که این خط‌های طیفی مربوط به نیتروژن است. نامهٔ تبریک او به رمزی چیزی نزدیک به یک کشف علمی در نظر گرفته می‌شود.
در سال ۱۹۰۷ ارنست رادرفورد و توماس رویدز نشان دادند که ذره‌های آلفا همان هستهٔ هلیوم‌اند. آن‌ها برای این کار، اجازه دادند تا ذره‌ها در دیوار شیشه‌ای نازک یک لولهٔ تهی نفوذ کند. سپس لوله را تخلیه کردند تا گاز تازهٔ جمع شده در آن را طیف‌سنجی کنند. در سال ۱۹۰۸ یک فیزیک‌دان هلندی به نام هایک کامرلینگ اونس توانست دمای هلیوم را به زیر یک کلوین برساند و آن را مایع کند. او در ادامه تلاش کرد تا دمای هلیوم را پایین‌تر آورد و آن را جامد کند، اما کامیاب نشد. دلیل ناکامی او این بود که هلیوم دارای نقطهٔ سه‌گانه نیست؛ یعنی دارای دمایی نیست که در آن حالت‌های جامد، مایع و گازی در تعادل باشند. پس از چند سال، در ۱۹۲۶ ویلم هندریک کیزوم که دانشجوی اونس بود توانست  هلیوم را با افزودن فشار، جامد کند.

در ۱۹۳۸، فیزیک‌دان روس، پیوتر کاپیتسا دریافت که در دمای نزدیک به صفر مطلق، هلیوم-۴ تقریباً هیچ میزان گران‌روی ندارد که امروزه به این پدیده ابرشارگی گفته می‌شود. این پدیده با چگالش بوز-اینشتین مرتبط است. در سال ۱۹۷۲ همین پدیده در هلیوم-۳ اما این بار در دمایی بسیار نزدیک‌تر به صفر مطلق، دیده شد. دانشمندان آمریکایی داگلاس اوشروف، دیوید موریس لی و رابرت کلمن ریچاردسون کسانی بودند که به ابرروانروی در هلیوم-۳ پی بردند. با در نظر گرفتن جفت‌های کوپر الکترون‌ها که پدیدآورندهٔ ابررسانایی هستند، گمان می‌رود که ابرگرانروی دیده شده در هلیوم-۳ نیز به‌صورت قابل مقایسه‌ای به جفت‌شدن فرمیون‌های هلیوم-۳ در جهت تولید بوزون‌ها مرتبط است.

ویژگی‌ها 

هلیوم یک گاز سبک، بی‌بو، بی‌رنگ، بی اثر، بدون سمیت و تک هسته‌ای است که می‌تواند مولکول‌های دواتمی ضعیف و در دمای نزدیک به صفر مطلق ایجاد کند. هلیوم کمترین نقطه ذوب را در بین عناصر دارد و نقطه جوش آن نزدیک به صفر مطلق و گرانرویش ۲۵ میکروپواز (آب = ۱۰ هزار) است. برخلاف هر عنصر دیگر، هلیوم جامد نمی‌شود اما تحت فشارهای معمولی به صورت مایع تا صفر مطلق باقی می‌ماند.

در دمای حدود منفی ۲۷۱ درجه سانتیگراد (۴۵۶- درجه فارنهایت)، هلیوم دچار یک تغییر غیرمعمول می‌شود و به صورت یک مایع باقی می‌ماند که دارای ویژگی‌های منحصر به فردی است. اشکال هلیوم به قدری متفاوت است که به آنها نام‌های مختلفی داده می‌شود. بالاتر از ۲۷۱- درجه سانتیگراد، هلیوم مایع را هلیوم I و زیر آن دما، هلیوم II نامیده می‌شود.
از هوا سبک‌تر است. قابل اشتعال نیست و فقط کمی در آب قابل حل است. هلیوم (He۲) با داشتن انحلال‌پذیری ۰٫۰۷۰۷۹۷ مول از هلیوم در هر ۵-۱۰ از مجموع مول هلیوم (حل شونده) و آب (حلال)، به‌عنوان یکی از گازهایی شناخته می‌شود که دارای کم‌ترین میزان انحلال در آب است (به‌عنوان مقایسه کسر مولی حلالیت برای گازهای CF۴ و SF۶ و C۴F۸ به ترتیب برابر با ۰٫۳۸۰۲، ۰٫۴۳۹۴ و ۰٫۲۳۷۲ به ازای هر ۵-۱۰ مول گاز حل شونده و حلال آب است).
از نظر شیمیایی بی‌اثر است. هنگامی که به صورت مایع حمل می‌شود، بسیار سرد است و تمام گازهای دیگر را جامد می‌کند. تماس با مایع باعث یخ زدگی شدید می‌شود. هلیوم مایع دارای خصوصیات ترمودینامیکی منحصر به فردی است و مایع کوانتومی نامیده می‌شود زیرا خصوصیات اتمی را در مقیاس ماکروسکوپی از خود نشان می‌دهد.

هلیوم، پس از نئون، کم واکنش‌ترین گاز نجیب و البته دومین عنصر کم واکنش پذیر در میان همه عنصرهاست. این گاز کم واکنش در همهٔ شرایط استاندارد به صورت تک‌اتمی باقی می‌ماند. هلیوم به دلیل داشتن جرم مولی نسبتاً پایین، دارای رسانش گرمایی و ظرفیت گرمایی بالایی است و سرعت صدا هم در آن، در حالت گازی، از هر گاز دیگری به جز هیدروژن، بالاتر است. همچنین به دلیل کوچکی اندازهٔ اتم هلیوم، نرخ واپخش در اجسام جامد، سه برابر بیشتر از نرخ واپخش هوا و برابر با ۶۵٪ نرخ واپخش هیدروژن است.

ضریب شکست هلیوم بیش از هر گاز دیگری به یک نزدیک است. ضریب ژول-تامسون هلیوم در دمای معمولی پیرامونش، منفی است به این معنی که اگر اجازه دهیم این گاز آزادانه افزایش حجم پیدا کند، گرم‌تر می‌شود. اما اگر هلیوم در زیر دمای وارونگی ژول-تامسون (در حدود ۳۲ تا ۵۰ کلوین در یک اتمسفر) باشد، اگر آزادانه افزایش حجم پیدا کند، دمای آن پایین می‌آید. با توجه به این ویژگی اگر دمای هلیوم از این دما پایین‌تر آمده باشد، می‌توان با افزایش حجم، آن را خنک و مایع کرد.

بیشتر هلیوم فرازمینی در حالت پلاسما یافت می‌شود. در این حالت، ویژگی‌های ماده از ویژگی‌های حالت اتمی آن بسیار متفاوت است. در حالت پلاسما، الکترون‌ها دیگر در بند هسته نیستند در نتیجه دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی خواهد بود حتی اگر تنها بخشی از آن یونی شده باشد. ذره‌های باردار به شدت از میدان مغناطیسی و الکتریکی پیرامون تأثیر می‌پذیرند. برای نمونه در بادهای خورشیدی با هیدروژن یونی، ذره‌ها با مغناطیس‌سپهر اندرکنش پیدا می‌کند و باعث پدید آمدن شفق قطبی و جریان برکلند می‌شود.

هلیوم مایع 

برخلاف دیگر عنصرها، هلیوم در فشار معمولی تا دمای صفر مطلق، مایع باقی می‌ماند. دلیل این پدیده را می‌توان با مکانیک کوانتوم توضیح داد: انرژی نقطهٔ صفر بسیار بالای این سامانه اجازه نمی‌دهد هلیوم جامد شود. هلیوم برای جامد شدن باید به دمایی بین ۱ تا ۱٫۵ کلوین (۴۵۷- فارنهایت یا ۲۷۲- سلسیوس) و فشاری نزدیک به ۲٫۵ مگاپاسکال برسد. معمولاً شناسایی هلیوم جامد از مایع کمی دشوار است؛ چون ضریب شکست هر دو بسیار نزدیک است. هلیوم در حالت جامد دارای نقطهٔ ذوب دقیق است، ساختار بلوری دارد و بسیار تراکم پذیر است تا حدی که با وارد کردن فشار بر آن می‌توان تا بیش از ۳۰ درصد حجم آن را کاهش داد. مدول حجمی آن نزدیک به ۲۷ مگاپاسکال است؛ یعنی تقریباً ۱۰۰ برابر بیشتر از آب تراکم‌پذیر است. چگالی هلیوم جامد در دمای ۱٫۱ کلوین و فشار ۶۶ اتمسفر،  و در دمای صفر کلوین و فشار ۲۵ بار (۲٫۵ مگاپاسکال)،  است.

هلیوم I 
ایزوتوپ هلیوم-۴ به‌صورت یک مایع بی‌رنگ در زیر دمای نقطه جوش در ۴٫۲۲ درجه کلوین و بالای نقطه لاندا در دمای ۲٫۱۷۶۸ درجه کلوین وجود دارد که به آن هلیوم I گفته می‌شود. همانند دیگر مایعات سرمازا، هلیوم I نیز زمانی که گرم شود، به جوش می‌آید و زمانی دمایش کاهش پیدا کند، دچار انقباض می‌شود. در زیر نقطه لاندا، با این‌حال، هلیوم نمی‌جوشد و هرچه دما کاهش پیدا کند، منبسط می‌شود. هلیوم I دارای ضریب شکست برابر با ۱٫۰۲۶ است که موجب می‌شود سطح آن به‌قدری سخت شود که شناوری یونولیت بر روی آن ممکن شود و اغلب از این روش، به‌عنوان روشی برای پیدا کردن سطح هلیوم I به‌کار می‌رود.

هلیوم I گران‌روی بسیار کمی دارد و چگالی آن در گستره دمایی صفر تا چهار درجه کلوین بین ۰٫۱۴۵ تا ۰٫۱۲۵ گرم بر میلی‌لیتر است که این مقدار، یک چهارم مقداری است که توسط فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌شود.
برای توضیح این خاصیت هلیوم I، به مکانیک کوانتومی نیاز است و در نتیجه هر دو حالت هلیوم مایع شناخته شده (هلیوم I و هلیوم II)، مایعات کوانتومی نامیده می‌شوند؛ به این معنی که آنها در سطح ماکروسکوپی، خواص اتمی از خود نشان می‌دهند. این موضوع ممکن است به‌خاطر نزدیکی بیش از حد نقطه جوش هلیوم به صفر مطلق باشد که موجب می‌شود جنبش تصادفی مولکولی نتواند بر روی ویژگی اتمی سایه افکند و مانع از بروز آن‌ها شود.

هلیوم II 

هلیوم مایع در دمای پایین‌تر از نقطه لاندا هلیوم II نامیده می‌شود، رفتار بسیار عجیب و غیرمعمولی از خود نشان می‌دهد. به‌علت هدایت گرمایی بالا، زمانی‌که به نقطه جوش می‌رسد، به‌جای این که شروع به جوشیدن و تولید حباب کند، مستقیماً از سطح خود تبخیر می‌شود. هلیوم-۳، دارای یک فاز ابرشارگی اما فقط در دماهای خیلی کمتر است. در نتیجه، اطلاعات کمی در مورد خواص ایزوتوپ شناخته شده‌است.

هلیوم II یک ابرشاره است؛ حالتی از ماده در مکانیک کوانتومی (برای اطلاعات بیش‌تر به پدیده‌های کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی رجوع کنید) که دارای خواص غیرمعمول و عجیبی است. به‌عنوان مثال زمانی که درون یک لوله موئین به ضخامت ۷-۱۰ تا ۸-۱۰ متر جاری می‌شود، هیچ میزان گران‌روی قابل اندازه‌گیری از خود نشان نمی‌دهد. با این‌حال، موقعی‌که اندازه‌گیری گران‌روی هلیوم قرار گرفته میان دو دیسک متحرک انجام می‌شود، مقدار گران‌روی به‌دست آمده با مقدار گران‌روی برای هلیوم گازی، قابل مقایسه است. با استفاده از مدل دوجریانی برای هلیوم II این پدیده را می‌توان به‌طور نظری توضیح داد. در این مدل، در نظر گرفته می‌شود که هلیوم مایع در زیر نقطه لاندا دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم در حالت پایه است که ابرشاره هستند و دقیقاً با گران‌روی صفر جریان پیدا می‌کنند و همچنین دارای نسبتی از اتم‌های هلیوم در حالت برانگیخته است که مانند یک سیال معمولی رفتار می‌کنند.

در اثر چشمه، محفظه‌ای ساخته می‌شود که به یک مخزن هلیوم II متصل است و از طریق یک دیسک تف‌جوش شده هلیوم ابرشاره به‌آسانی از آن چکیده می‌شود، اما هلیوم غیرشاره نمی‌تواند از آن عبور کند. اگر قسمت داخلی محفظه حرارت داده شود، هلیوم ابرشاره به هلیوم غیرابرشاره تبدیل می‌شود. به‌منظور حفظ کسر تعادل هلیوم ابرشاره، آن را از محفظه عبور داده و فشار افزایش داده می‌شود که موجب ایجاد یک چشمه به سمت بیرون محفظه نگهدارنده می‌شود.

رسانش گرمایی آن بیشتر از هر نوع ماده شناخته شده دیگری است، به‌طوری که مقدار به یک میلیون برابر هدایت گرمایی هلیوم I و چندصد برابر فلزی مانند مس می‌رسد. این ویژگی به این دلیل رخ می‌دهد که هدایت گرمایی از طریق سازوکارهای کوانتومی انجام می‌شود. اغلب موادی که رسانای خوب گرما هستند، دارای یک نوارهای هدایت و ظرفیت از الکترون‌های آزادند که به انتقال گرما کمک می‌کنند. هلیوم II فاقد چنین لایه ظرفیتی است، اما با این‌حال، گرما را به‌خوبی هدایت می‌کند. جریان گرما از معادله‌ای پیروی می‌کند که مشابه معادله موجی است که برای توصیف نحوه انتشار صوت در هوا استفاده می‌شود. زمانی که گرما آغاز می‌شود، با سرعتی برابر با ۲۰ متر بر ثانیه در دمای ۱٫۸ کلوین در هلیوم II، همانند انتقال امواج در پدیده‌ای معروف به‌نام موج دوم منتقل می‌شود.

زمانی‌که سطح هلیوم II از تراز آن پیشی بگیرد برخلاف نیروی جاذبه وارده به نمونه، در امتداد سطح حرکت می‌کند. چنان‌چه ظرف نمونه روباز باشد به‌شکل عجیبی از کناره‌ها از ظرف خارج می‌شود تا اینکه خود را به نواحی با دمای بالاتر برساند و در آن‌جا شروع به تبخیر شدن می‌کند. نمونه هلیوم II فارغ از سطح ماده، در یک فیلم دارای ضخامت ۳۰ نانومتری حرکت می‌کند. به این فیلم، اصطلاحاً فیلم رولین گفته می‌شود و به افتخار برنارد وی. رولین، کسی که برای اولین‌بار این ویژگی را شرح داد، نام‌گذاری شده‌است. در نتیجه این رفتار هلیوم می‌تواند به سرعت از طریق روزنه‌های کوچک تراوش کند و بر همین مبنا، نگهداری هلیوم مایع بسیار دشوار است. اگر محفظه‌های نگهداری هلیوم با دقت بالایی ساخته نشوند و دارای روزنه حتی در ابعاد کوچک باشند، هلیوم می‌تواند از طریق آن‌ها خارج شود تا به سطوح گرم‌تر برسد و در آن‌جا تبخیر شود. امواج منتشر شونده در طول فیلم رولینگ از همان معادله‌ای که برای توصیف موج گرانشی در آب کم عمق به‌کار می‌رود، پیروی می‌کنند، اما برخلاف جاذبه، عامل پیش‌برنده نیروی واندروالسی است. این امواج به صوت سوم معروفند.

حالت اتمی 

از نقطه نظر مکانیک کوانتومی، هلیوم دومین اتم ساده پس از هیدروژن، برای ساخت مدل کوانتومی است. هلیوم متشکل از دو الکترون در حال چرخش در اوربیتال‌های اتمی است که حول یک هسته دارای دو پروتون و (معمولاً) دو نوترون قرار دارند. در مکانیک نیوتونی، برای سیستم‌های بیش از دو ذره، امکان یافتن آنالیز دقیق ریاضی وجود ندارد (برای این موضوع به مسئله سه جسم رجوع کنید) و هلیوم نیز با داشتن دو الکترون و یک هسته، یک سیستم سه‌ذره‌ای محسوب می‌شود و در نتیجه امکان انجام محاسبات ریاضی با کمک مکانیک کلاسیک برای آن وجود ندارد؛ بنابراین، روش‌های عددی ریاضی برای آنالیز آن مورد نیاز است. روش‌های محاسباتی متداول در شیمی که برای ایجاد تصویری کوانتومی از الکترون استفاده می‌شوند، در برخی از مراحل محاسبه نسبت به مقادیر واقعی، خطایی کمتر از دو درصد دارند. چنین مدل‌هایی نشان می‌دهند که هر الکترون در اتم هلیوم بخشی از هسته را پوشش می‌دهد که در نتیجه چنین پوششی، بار مؤثر هسته‌ای که هر الکترون با آن مواجه است، حدود ۱٫۶۹ واحد است و نه دو واحد؛ که به‌طور کلاسیک از یک هسته نپوشیده هلیوم انتظار می‌رود.

پایداری هسته هلیوم-۴ 
هسته اتم هلیوم-۴ برابر یک ذره آلفا است. آزمایش‌های انرژی بالای تفرق الکترونی نشان می‌دهد که بار هسته همانند چگالی ابر الکترون هرچه از مرکز اتم دور شویم کمتر می‌شود. این تقارن در توزیع بار نمایان‌گر یکی از اصول زیربنایی فیزیک است. اصلی که می‌گوید دو نوترون و دو پروتون موجود در هسته اتم هلیوم همانند دو الکترونی که به دور هسته می‌چرخند، از قواعد یکسان کوانتومی پیروی می‌کنند اگرچه نوع پتانسیل پیوندی هسته‌ای برای ذره‌های هسته‌ای متفاوت است، به‌طوری که همه این فرمیون‌ها به‌شکل کامل اوربیتال‌های 1s را اشغال می‌کنند و هیچ‌کدام دارای ممان زاویه‌ای اوربیتالی نیستند، چراکه هر یک اسپین ذاتی دیگری را خنثی می‌کنند. افزودن به هر کدام از این ذره‌ها، نیازمند ممان زاویه‌ای است و در نتیجه آن، انرژی کمتری آزاد می‌کند در حقیقت، هیچ هسته‌ای با پنج ذره هسته‌ای پایدار نیست. این آرایش از لحاظ انرژی برای همه این ذره‌ها بسیار پایدار است و این پایداری عامل حقایق بسیار مهمی در مورد ذات و طبیعت هلیوم است. برای مثال پایداری و انرژی کم ابر الکترونی در هلیوم عامل بی‌میلی و واکنش پذیری بسیار کم این اتم است. همچنین، عدم برهم‌کنش اتم‌های هلیوم با یکدیگر، موجب می‌شود که هلیوم دارای پایین‌ترین نقطه ذوب و جوش در بین تمامی عناصر باشد.

به‌صورت مشابهی، پایداری ویژه ذره‌های هسته‌ای هلیوم-۴ از لحاظ انرژی، موجب ایجاد اثرات مشابهی می‌شود که در نتیجه آن، تولید هلیوم-۴ بر اثر واکنش‌های اتمی در فرایندهای هم‌جوشی یا شکافت ذره‌های سنگین آسان می‌شود. برخی از اتم‌های پایدار هلیوم-۳ (۲ پروتون و ۱ نوترون)، در واکنش هم‌جوشی هیدروژن تولید می‌شوند. با این‌حال، مقدار تولید شده در مقایسه با هلیوم-۴ که محصول بسیار مطلوب‌تری به حساب می‌آید، بسیار کم است و کسر بسیار کوچکی را شامل می‌شود. پایداری غیرمعمولی هسته هلیوم-۴ از لحاظ کیهان‌شناسی دارای اهمیت است، چراکه این پایداری، این حقیقت را توضیح می‌دهد که در چند دقیقه اول پس از مه‌بانگ، مخلوط اولیه کیهانی مملو از پروتون‌ها و نوترون‌ها با نسبت شش به یک، تا دمایی سرد شد که امکان تشکیل پیوندهای هسته‌ای فراهم شد و تقریباً تمامی ترکیب‌های اتمی اولیه مصرف شدند تا هسته هلیوم-۴ تشکیل شود.

قدرت اتصال اجزای هلیوم-۴ و میزان پایداری کلی آن به قدری زیاد بود که موجب شد تقریباً تمامی نوترون‌های آزاد ظرف همان چند دقیقه ابتدایی و قبل از این‌که بتوانند دچار فروپاشی بتا شوند، مصرف شوند. علاوه‌بر این، مقدار کمی از نوترون‌های باقی مانده در تولید اتم‌های سنگین‌تر مانند لیتیم، بریلیوم یا بور مصرف شدند. انرژی بستگی هسته هلیوم-۴ برای هر ذره هسته‌ای قوی‌تر از هرکدام از این عناصر سنگین‌تر تولید شده‌است (برای مقایسه به هسته‌زایی و انرژی بستگی رجوع کنید) که این پایداری موجب شد اتم‌های هلیوم تشکیل شده در دقایق اولیه شکل‌گیری کیهان، انرژی کافی برای هم‌جوشی اتم‌های هلیوم و ساخته شدن اتم‌های سنگین‌تر مانند لیتیم، بریلیم و بور در دسترس قرار نداشته باشد. انجام هم‌جوشی هسته‌ای و تبدیل هلیوم به عنصری سنگین‌تر مانند کربن که در مقایسه با هلیوم دارای انرژی کمتری به‌ازای هر ذره هسته‌ای است، واکنشی نامطلوب و نیازمند انرژی زیاد است.

با این‌حال، به‌علت نبود فلز واسطه، این فرایند نیازمند این است که سه هسته هلیوم طی فرایند آلفا سه‌گانه تقریباً به‌طور همزمان با یکدیگر برخورد کنند. در دقایق اولیه تشکیل کیهان و قبل از اینکه دما و فشار کیهان بر اثر انبساط به‌حدی کاهش یابد که دیگر امکان تبدیل هلیوم به کربن وجود نداشته باشد، زمان زیادی برای شکل‌گیری مقدار زیادی کربن وجود نداشته‌است. این موضوع موجب شد که نسبت هیدروژن به هلیوم در اوایل شکل‌گیری کیهان عددی بسیار نزدیک باشد، همان عددی که امروزه نیز مشاهده می‌شود. مجموع جرم هیدروژن سه برابر مجموع جرم هلیوم-۴ موجود در کیهان است. تمام عناصر سنگین‌تر از جمله آنهایی که برای تشکیل سیاره‌های سنگی مانند زمین و تشکیل حیات کربنی لازم هستند پس از مه‌بانگ در ستارگان ساخته می‌شوند؛ مکانی که میزان هلیوم، دما و فشار کافی وجود دارد. تمامی عناصر دیگر به‌جز هیدروژن و هلیوم، امروزه مجموعاً تنها دو درصد از کل جرم اتمی مواد موجود در کیهان را تشکیل می‌دهند هلیوم-۴ تشکیل دهنده ۲۳ درصد از جرم ماده معمولی (به‌جز هیدروژن) موجود در کیهان است.

ایزوتوپ‌ها 

تا کنون ۹ ایزوتوپ برای هلیوم پیدا شده‌است که از میان آن‌ها هلیوم-۳ و هلیوم-۴ تنها ایزوتوپ‌های پایدار آن‌اند. در هواکرهٔ زمین در برابر هر یک اتم هلیوم-۳، یک میلیون هلیوم-۴ وجود دارد. برخلاف بیشتر عنصرها، فراوانی ایزوتوپ‌های هلیوم بسته به منبع تولید و فرایند پدیداری شان بسیار متفاوت است. فراوان‌ترین ایزوتوپ آن، هلیوم-۴ در زمین از راه واپاشی آلفای عنصرهای پرتوزای سنگین تر تولید می‌شود. پرتوهای آلفای تابیده شده همگی هسته‌های یونیزه شدهٔ هلیوم-۴اند. هلیوم-۴ به طرز غیرمعمولی هستهٔ پایداری دارد چون ذره‌های هسته‌ای آن از آرایش الکترونی پایداری برخوردارند. این ایزوتوپ‌ها در جریان هسته‌زایی مه‌بانگ به فراوانی تولید شدند.

هلیوم-۳ به مقدار بسیار ناچیز یافت می‌شود که بیشتر آن از هنگامهٔ ساخت زمین به جای مانده‌است. گاهی هلیومِ گیر افتاده در گرد و غبار کیهانی هم وارد زمین شده‌است. همچنین در اثر واپاشی بتای تریتیوم هم اندکی هلیوم-۳ تولید می‌شود. در سنگ‌های پوستهٔ زمین ایزوتوپ‌هایی از هلیوم پیدا می‌شود که نسبت یک به ده دارد. با توجه به این نسبت‌ها می‌توان دربارهٔ منشأ سنگ‌ها و ساختار گوشتهٔ زمین پژوهش کرد. هلیوم بیش از همه به عنوان محصول واکنش‌های همجوشی در ستاره‌ها پیدا می‌شود؛ بنابراین در محیط‌های میان ستاره‌ای نسبت هلیوم-۳ به هلیوم-۴ نزدیک به صد برابر بیشتر از نسبت آن در زمین است. در ماده‌های فرازمینی مانند سنگ‌های موجود در ماه یا سیارک‌ها می‌توان ردّ پای هلیوم-۳ را از هنگامی که در اثر بادهای خورشیدی پرتاب شدند، پیدا کرد. غلظت هلیوم-۳ موجود در ماه،  است که بسیار بالاتر از مقدار آن،  (یک بخش در تریلیون) در هواکرهٔ زمین است. دسته‌ای از دانشمندان از جملهٔ آن‌ها جرالد کالسینسکی در سال ۱۹۸۶ پیشنهاد دادند که در سطح ماه جستجو شود و از معدن‌های هلیوم-۳ آن برای واکنش همجوشی هسته‌ای بهره‌برداری شود.

هلیوم-۴ مایع را می‌توان با کمک خنک‌کننده تبخیر ویژه تا نزدیک به ۱ درجه کلوین سرد کرد. روش سردسازی هلیوم-۳ مانند هلیوم-۴ است؛ با این تفاوت که هلیوم-۳ نقطهٔ جوش پایین‌تری (نزدیک به ۰٫۲ کلوین) دارد و این فرایند در سردساز هلیوم-۳ روی می‌دهد. اگر بخواهیم مخلوطی از هلیوم-۳ و هلیوم-۴ با نسبت‌های برابر در زیر ۰٫۸ کلوین داشته باشیم این دو به به دلیل ناهمانندی، به صورت دو بخش مخلوط نشدنی از هم جدا می‌شوند. اتم‌های هلیوم-۴ را بوزونها تشکیل می‌دهد در حالی که در هلیوم-۳ فرمیونها سازندهٔ اتم‌ها هستند. این ویژگی هلیوم در یخچال‌های رقیق‌سازی برای رسیدن به دمای چند میلی‌کلوین به کار می‌آید.

می‌توان به صورت آزمایشگاهی هم ایزوتوپ هلیوم درست کرد، اما این ایزوتوپ‌ها خیلی زود به دیگر ماده‌ها دگرگون می‌شوند. برای نمونه، می‌توان از هلیوم-۵ یاد کرد که دارای کوتاه‌ترین نیمه‌عمر،  ثانیه‌است. پس از آن هلیوم-۶ است که تابش بتا و نیمه عمر ۰٫۸ ثانیه دارد. هلیوم-۷ ذرات بتا و پرتوی گاما می‌تاباند. هلیوم-۷ و هلیوم-۸ هر دو در شرایط ویژهٔ واکنش‌های هسته‌ای پدید می‌آیند. معلوم شده‌است که هم هلیوم-۶ و هم هلیوم-۸ از خود پدیده‌ای به‌نام هاله هسته‌ای نشان می‌دهند. این موضوع به این معنی است که شعاع به‌دست آمده برای آن‌ها بسیار بیشتر از مقدار پیش‌بینی شده توسط مدل‌های اندازه‌گیری مانند مدل سقوط مایع است.

ترکیبات 

هلیوم دارای ظرفیت صفر است و درنتیجه از لحاظ شیمیایی در شرایط معمول، یک عنصر واکنش‌ناپذیر است. هلیوم یک عایق الکتریسیته محسوب می‌شود، مگر این‌که یونیزه شود. همانند سایر گازهای نجیب، هلیوم نیز دارای سطوح انرژی شبه‌پایدار است که موجب می‌شود این عنصر در صورت وجود بار الکتریکی با ولتاژی کمتر از پتانسیل یونیزاسیون خود، یونیزه باقی بماند. هلیوم می‌تواند در زمانی که تحت تخلیه تابشی، بمباران الکترونی یا تبدیل شدن به پلاسما تحت شرایط دیگر، قرار می‌گیرد، با عناصری مانند تنگستن، فلورید، گوگرد و فسفر ترکیبات ناپایداری موسوم به برانگیخته‌پار تشکیل دهد. ترکیبات مولکولی مانند هلیوم نئون (HeNe)، جیوه هلیوم (HgHe۱۰)، تنگستن هلیوم (WHe۲) و گونه‌های مولکولی یونی مانند He۲+ ،He۲+ ،HeH و +HeD به‌این صورت ساخته می‌شوند. ترکیب +HeH دارای حالت پایه پایدار است، اما فوق‌العاده واکنش‌پذیر است؛ به‌طوری که قوی‌ترین اسید برونستدی است که تاکنون شناخته شده‌است؛ بنابراین می‌تواند تنها به صورت جداشده وجود داشته باشد، زیرا هرنوع مولکول یا یون مخالفی که در مجاورت آن قرار بگیرد، پروتون‌دار می‌شود. این روش همچنین موجب تولید مولکول هلیوم گازی (He۲) و مولکول جیوه هلیوم (HgHe) شده‌است. ترکیبات وان‌دروالسی هلیوم مانند لیتیم هلیوم (LiHe) و مولکول هلیوم (He۲)، می‌توانند با سرد کردن گاز هلیوم و اتم‌های برخی دیگر از مواد، تولید شوند.

وجود ترکیبات واقعی دیگری مانند هلیوم فلوئوروهیدرید (HHeF) که مشابه آرگون فلوروهیدرید است و در سال ۲۰۰۰ کشف شد نیز به صورت نظری نیز ممکن است. محاسبات نشان می‌دهد که دو ترکیب جدید حاوی پیوند هلیوم-اکسیژن می‌تواند پایدار باشد. دو گونه جدید مولکولی CsFHeO و N(CH۳)۴FHeO که به‌صورت نظری پیش‌بینی شدند، مشتق‌هایی از یک آنیون −FHeO ناپایدار هستند که برای اولین‌بار در سال ۲۰۰۵ به صورت نظری توسط یک گروه تحقیقاتی تایوانی وجود آن پیش‌بینی شد. اگر تحقیقات آن را تأیید نماید، تنها عنصری که هنوز هیچ ترکیب پایداری از آن گزارش نشده، عنصر نئون خواهد بود.

اتم‌های هلیوم می‌توانند با اعمال حرارت و تحت فشار زیاد به درون ساختار توخالی قفس کربنی مولکول فولرن وارد شوند. به این نوع مولکول‌های فولرن که دارای گونه خارجی مانند اتم، یون یا خوشه مولکولی در داخل ساختار قفس‌مانند خود هستند، اصطلاحاً فولرن اندوهدرال گفته می‌شود که در دماهای بالا نیز پایدارند. زمانی‌که مشتق‌های این نوع فولرن‌ها تشکیل می‌شوند، هلیوم در داخل ساختار قفس مانند فولرن باقی می‌ماند. اگر هلیوم-۳ برای این منظور استفاده شود، به‌آسانی می‌توان حضور آن را با کمک طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای مشخص کرد.

بسیاری از فولرن‌های حاوی هلیوم-۳ گزارش شده‌اند. اگرچه، اتم‌های هلیوم به صورت کووالانسی یا یونی به ساختار فولرن متصل نشده‌اند، با این‌حال ترکیب فولرن حاصل، مانند تمامی ترکیب‌های شیمیایی استوکیومتری دارای خواص و ترکیب منحصر به‌فرد و مشخص است. تحت فشار زیاد، هلیوم می‌تواند ترکیباتی با عناصر مختلف را تشکیل دهد. کریستال‌های ترکیب کلاترات هلیوم-نیتروژن (۱۱(N۲)He) در دمای اتاق و تحت فشار ۱۰ گیگاپاسکال درون یک سلول سندان الماس رشد داده شده‌اند. مشخص شده‌است که ترکیب الکترید سدیم هلیوم (Na۲He) که یک عایق الکتریسیته است، در فشار بالای ۱۱۳ گیگاپاسکال، به‌صورت ترمودینامیکی پایدار است. این مولکول دارای ساختاری فلئوریتی است.

فراوانی و تولید 
هلیوم دومین عنصر فراوان بعد از هیدروژن در کیهان و در منظومه شمسی است و حدود ۱۱٫۳ درصد از کل اتم‌های جهان را تشکیل می‌دهد. حدود ۸۸٫۶ درصد از کل اتم‌های جهان هیدروژن هستند؛ بنابراین، حداقل ۹۹٫۹ درصد از کل اتم‌ها شامل اتم‌های هیدروژن یا هلیوم هستند. در مقابل، هلیوم در زمین بسیار نایاب است. این گاز پس از نیتروژن، اکسیژن، آرگون، دی‌اکسید کربن و نئون ششمین گاز فراوان در جو است که تقریباً ۰٫۰۰۰۵۲۴ درصد هوا را تشکیل می‌دهد. تخمین میزان هلیوم در پوسته زمین غیرممکن است. این گاز هنگام خراب شدن اورانیوم و سایر عناصر رادیواکتیو تولید می‌شود. اما اغلب تقریباً بلافاصله به جو فرار می‌کند
به‌طوری‌که قیمت هلیوم در ۱۵ سال اخیر ۵۰۰ درصد افزایش پیدا کرده‌است. در ژوئن ۲۰۱۶ مقادیر بزرگی از هلیوم در صحرای موسوم به کافت شرق آفریقا در تانزانیا کشف شد. براساس برآوردها، میزان ذخیره این میدان ۵۴ میلیارد متر مکعب است که می‌تواند نیاز چندین سال بشر را تأمین کند. فعالیت آتشفشانی در کافت شرق آفریقا باعث انتشار گاز هلیوم در صخره‌های کهن می‌شود که در نهایت در میدان‌های کم‌عمق‌تر گاز به تله می‌افتد.

منابع طبیعی 

حدود ۲۳ درصد از جرم باریونی کیهان از هلیوم تشکیل شده‌است. مقدار زیادی از هلیوم طی فرایندهای هسته‌زایی در زمان مهبانگ در ۱–۳ دقیقه آغازین ایجاد شد. از همین‌رو، اندازه‌گیری میزان فراوانی هلیوم به مدل‌های کیهان‌شناسی کمک می‌کند. در ستاره‌ها، تشکیل هلیوم توسط واکنش همجوشی هسته‌ای هیدروژن در واکنش‌های زنجیره‌ای پروتون پروتون و چرخه پروتون پروتون بخشی از هسته‌زایی ستاره‌ای را تشکیل می‌دهد.

در جو زمین، غلظت هلیوم تنها ۵٫۲ قسمت در میلیون است. غلظت هلیوم موجود در جو، با وجود تولید مداوم و پیوسته، کم و تقریباً ثابت است، چون بیشتر هلیوم جو زمین، طی چندین فرایند از جو خارج شده و وارد فضا می‌شود. در هتروسفر زمین که در قسمت بالایی جو قرار دارد، هلیوم و سایر گازهای سبک‌تر، فروان‌ترین عناصر موجود هستند.

اغلب هلیوم موجود بر روی زمین درنتیجه یک واپاشی هسته‌ای است. هلیوم در مقادیر زیادی در کانی‌های اورانیوم و توریوم مانند اورانینیت و انواع آن مانند کلویت، اورانینیت سیاه،کارنوتیت و مونازیت یافت می‌شود. علت فراوانی هلیوم در این نوع کانی‌ها این است که عناصر پرتوزایی مانند اورانیوم و توریوم ذرات آلفا (هسته اتم هلیوم دارای دوبار مثبت: He+۲) از خود منتشر می‌کنند و این ذرات در زمان برخورد با سنگ‌ها، با دریافت الکترون لازم، موجب تولید هلیوم می‌شود. تخمین زده می‌شود تنها از این طریق، حدود ۳۰۰۰ تن متریک هلیوم در هر سال در سرتاسر سنگ‌کره تولید شود. در پوسته زمین، غلظت هلیوم برابر با  است. در آب دریا، غلظت هلیوم کمتر شده و به  می‌رسد. همچنین، مقادیر کمی از هلیوم در چشمه‌های آب معدنی، گازهای آتش‌فشانی و شهاب سنگ‌های حاوی آهن وجود دارد. به این‌علت که هلیوم در سطح زیر زمین و در شرایطی مشابه با گاز طبیعی به‌دام افتاده‌است، بزرگ‌ترین منابع طبیعی هلیوم روی زمین، که بیش‌ترین هلیوم استخراج شده تجاری از آنجا تهیه می‌شود، در محل منابع گازهای طبیعی است. غلظت هلیوم در این منابع متغیر و از چند قسمت در میلیون تا بیش از ۷ درصد در میدان گازی واقع در سن خوآن، نیومکزیکو است.

ذخایر جهانی 

با روی کار آمدن تأسیسات مایع‌سازی گاز طبیعی، مقدار هلیوم قابل بازیافت افزایش یافته‌است، زیرا یکی از پیامدهای مایع شدن گاز طبیعی افزایش غلظت نسبی هلیوم و در نتیجه، مقرون به صرفه بودن استخراج آن است. هر ساله دفتر مدیریت سرزمین به نمایندگی از سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده منابع جهانی هلیوم را گزراش می‌کند. جدول ۱ برآورد ذخایر هلیوم و پایه ذخیره هلیوم در سال ۲۰۰۸ را نشان می‌دهد. ذخایر منابعی هستند که می‌توانند در زمان تعیین از نظر اقتصادی استخراج یا تولید شوند.

توجه به این نکته حائز اهمیت است که کلیه ذخایر ذکر شده تخمین زده می‌شوند و به استثنای تعداد کمی از ذخایر هیچ‌کدام توسط مؤسسات معتبر تأیید نشده‌اند. کل ذخایر تخمین زده شده بر اساس پالایش ۶٫۲ میلیارد فوت مکعب در سال ۶۳۸ میلیارد فوت مکعب است که با توجه به میزان مصرف برای ۱۰۰ سال پیش‌بینی می‌شود. با این حال، اگر مصرف با نرخ‌های اخیر رشد کند (۴ درصد در سال)، این ذخایر به ۴۰ سال کاهش می‌یابد، افزون بر این توجه به این نکته مهم است که این برآورد فقط در صورتی معتبر است که کل مقدار گاز طبیعی تولید شده از هر مخزن برای هلیوم پردازش شود.

تا سال ۲۰۱۱، تخمین زده شده‌است که ذخایر هلیوم دنیا در حدود ۴۰ میلیارد متر مکعب باشد، که یک چهارم از این ذخایر در میدان گازی پارس جنوبی که میان ایران و قطر مشترک است، قرار دارد. در سال ۲۰۱۵ و ۲۰۱۶، ذخایر احتمالی جدیدی در رشته کوه‌های راکی در آمریکای شمالی و در کافت شرق آفریقا اعلام شده‌است.

بازار هلیوم در سال‌های اخیر با کمبود جهانی بین سال‌های ۲۰۰۶ و ۲۰۰۷ و ۲۰۱۱ و ۲۰۱۳ کاملاً متعادل شده‌است. ایالات متحده با ۴۰٪ از تولید هلیوم بزرگ‌ترین تولیدکننده جهان است. با این حال، ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده در آماریلو، تگزاس، بزرگ‌ترین منبع هلیوم در جهان طی ۷۰ سال گذشته، اکنون به حداقل سطح خود ۳ میلیارد فوت مکعب رسیده‌است. این ذخیره در سال ۱۹۶۰ به عنوان مخزن استراتژیک هلیوم راه اندازی شد. در سال ۱۹۹۶ لایحه ای برای فروش بخش عمده ای از عرضه و پرداخت بدهی‌های کارخانه توسط دولت آمریکا تصویب شد که منجر به کاهش قیمت هلیوم شد. بسته شدن ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده، بخش قابل توجهی از عرضه هلیوم را از بازار خارج کرد. در تاریخ ۳۱ دسامبر ۲۰۱۸، دفتر مدیریت سرزمین حدود ۲۲۳۰۰ نمونه گاز از ۲۶ کشور و ایالات متحده را در برنامه ای برای شناسایی منابع هلیوم جهان تجزیه و تحلیل کرده‌است.

حامیان حفاظت از منابع 
براساس گفته‌های رابرت کلمن ریچاردسون فیزیکدان و برنده جایزه نوبل، در سال ۲۰۱۰ قیمت بازار آزاد هلیوم موجب استفاده‌های بیهوده مانند استفاده از آن برای بالن‌های هلیوم کمک کرده‌است. قیمت‌ها در دهه ۲۰۰۰ با تصمیم کنگره ایالات متحده برای فروش سهام بزرگ هلیوم این کشور تا سال ۲۰۱۵ کاهش یافته بود.
ارزش تخمینی هلیوم درجه A (با خلوص ۹۹٫۹۹۷٪ یا بیشتر) که در سال ۲۰۱۹ توسط صنایع خصوصی استخراج شد حدود ۷۱۷ میلیون دلار بود. به باور ریچاردسون برای از بین بردن هدر رفت بیش از حد هلیوم، قیمت‌ها باید ۲۰ برابر شود. او به همراه همکارانش در کتابشان، آینده هلیوم به عنوان یک منبع طبیعی همچنین پیشنهاد ایجاد آژانس بین‌المللی هلیوم برای ایجاد بازار پایدار برای این کالای گرانبها را داده‌است.

استخراج

استخراج و استفاده 

در یک عملیات حفاری نفت در سال ۱۹۰۳ در دکستر، کانزاس، فوران گازی مشاهده شد که فاقد قابلیت اشتعال بود. زمین‌شناسی به‌نام اراسموس هاورث نمونه‌هایی از این گاز تهیه کرد و آنها را به دانشگاه کانزاس برد و با کمک شیمی‌دانان‌هایی به نام‌های همیلتون کدی و دیوید مک‌فارلاند پی برد که گاز مورد نظر، مخلوطی از ۷۲ درصد نیتروژن، ۱۵ درصد متان (گازی که در صورت وجود اکسیژن کافی، قابلیت اشتعال دارد)، ۱ درصد هیدروژن و ۱۲ درصد گازی غیرقابل شناسایی است. با انجام تجزیه و تحلیل‌های بیشتر، کادی و مک‌فارلاند کشف کردند که ۱٫۸۴ درصد از مخلوط گازی جمع‌آوری شده، متشکل از هلیوم است. این کشف نشان داد که با وجود فراوانی بسیار اندک هلیوم بر روی زمین، هلیوم می‌تواند در مقادیر زیادی در زیر مناطق مربوط به دشت بزرگ (آمریکا) وجود داشته باشد و در زمان استخراج گاز طبیعی به‌صورت محصول جانبی به‌دست بیاید.

این کشف موجب شد که ایالات متحده آمریکا به بزرگ‌ترین تأمین کننده هلیوم دنیا تبدیل شود. بعد از پیشنهاد ریچارد ترلفال، نیروی دریایی ایالات متحده، سه کارخانه آزمایشی هلیوم را در طول جنگ جهانی اول راه‌اندازی کرد. هدف از آغاز چنین پروژه‌ای تأمین گازی غیرقابل اشتعال و سبک‌تر از هوا برای بالن‌های دفاعی مورد استفاده در جنگ بود. مقداری از این هلیوم تولید شده نیز برای پرکردن اولین کشتی هوایی پرشده با هلیوم، کشتی هوایی بادکنکی غیرصلب کلاس سی، مورد استفاده قرار گرفت. اولین پرواز این کشتی هوایی در تاریخ ۱ دسامبر ۱۹۲۱، از همپتون رودز در ویرجینیا به پایگاه نیروی هوایی بولینگ در واشینگتن، دی.سی. بود. حدود دو سال بعد و در سپتامبر ۱۹۲۳، پرواز اولین کشتی هوایی بادکنکی صلب و پرشده با هلیوم که توسط شرکت هواپیماسازی نیروی دریایی ساخته شده بود و نامش یواس‌اس بود، انجام شد.
اگرچه فرایند استخراج با استفاده از مایع‌سازی گاز در دمای پایین در آن زمان حساس در جنگ جهانی اول هنوز توسعه نیافته بود، با این‌حال تولید هلیوم ادامه داشت. هلیوم در ابتدا به‌عنوان گازی بالابرنده در کشتی‌های هوایی مورد استفاده قرار گرفت. در طول جنگ جهانی دوم، تقاضا برای هلیوم به‌عنوان گاز بالابرنده و همچنین برای جوشکاری قوس پوشش‌دار افزایش یافت. طیف‌سنجی جرمی هلیوم نقشی حیاتی در تولید بمب اتمی در پروژه منهتن داشت.

در سال ۱۹۲۵ دولت ایالات متحده در آماریلو، تگزاس، با هدف تأمین گاز مورد نیاز برای کشتی‌های هوایی نظامی در زمان جنگ و کشتی‌های هوایی تفریحی در زمان صلح، محلی را برای ذخیره راهبردی هلیوم با عنوان ذخیره هلیوم ملی احداث کرد. در آن زمان که آمریکا تنها تولیدکننده هلیوم بود، هلیوم خیلی گران بود و مصوبه کنگره موسوم به مصوبه همیلتون ۱۹۲۵ نیز صادرات آن را ممنوع می‌کرد؛ بنابراین، کشتی هیندنبورگ ال‌زد ۱۲۹ و سایر کشتی‌های هوایی آلمان زپلین مجبور بودند به‌جای هلیوم از هیدروژن استفاده کنند.

بازار هلیوم پس از جنگ جهانی دوم دچار رکود شد. اما ذخایر هلیوم در دهه ۱۹۵۰ میلادی توسعه داده شد تا از تأمین هلیوم به‌عنوان یک خنک‌کننده برای تولید اکسیژن و هیدروژن مورد نیاز برای سوخت موشک (و همچنین سایر اهداف) در طول دوران رقابت فضایی و جنگ سرد اطمینان حاصل شود. میزان هلیوم مورد استفاده در آمریکا در سال ۱۹۶۵ بیش از هشت برابر بیشینه مصرف در زمان جنگ بود.

پس از اصلاح مصوبه کنگره در مورد هلیوم در سال ۱۹۶۰ (قانون عمومی ۸۶–۷۷۷)، اداره معادن ایالات متحده آمریکا طرح تأسیس پنج کارخانه خصوصی برای بازیابی هلیوم از منابع گاز طبیعی را تصویب کرد. براساس این برنامه حفظ منابع هلیوم، اداره معادن یک خط لوله به طول ۴۲۵ مایل (۶۸۴ کیلومتر) احداث کرد تا کارخانه‌های دولتی میدان گازی کلیف‌ساید از شهر بوشتون، کانزاس به آماریلو، تگزاس متصل شوند. مخلوط هلیوم-نیتروژن تزریق شد و میدان گازی کلیف‌ساید ذخیره شد تا زمان نیاز به هلیوم، این مخلوط تحت خالص‌سازی بیشتر قرار بگیرد.

تا سال ۱۹۹۵، یک میلیارد متر مکعب از این گاز ذخیره شده بود و مجموعه ۱٫۴ میلیارد دلار بدهی داشت؛ بنابراین، کنگره ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۹۶ طرح ذخیره هلیوم را متوقف کرد. مصوبه خصوصی‌سازی هلیوم سال ۱۹۹۶ (قانون عمومی ۱۰۴–۲۷۳)، وزارت کشور ایالات متحده آمریکا را بر آن داشت که ذخایر هلیوم را تخلیه کند و فروش از سال ۲۰۰۵ آغاز شد.

هلیوم تولیدشده بین سال‌های ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۵ دارای خلوص حدود ۹۸٫۳ درصد بود (۲ درصد نیتروژن) که این میزان خلوص برای کشتی‌های هوایی کافی بود. در سال ۱۹۴۵، مقدار کمی از هلیوم ۹۹٫۹ درصد برای استفاده در جوشکاری تولید شد. تا سال ۱۹۴۹، تولید هلیوم در مقیاس تجاری با خلوص ۹۹٫۹۵ درصد از نوع درجه آ ممکن بود.

برای سال‌های زیادی، ایالات متحده آمریکا، بیش از ۹۰ درصد هلیوم تولیدی دارای قابلیت استفاده به‌صورت تجاری در دنیا را تولید می‌کرد، در حالی‌که ۱۰ درصد باقی‌مانده توسط کارخانه‌های موجود در کانادا، هلند، روسیه و دیگر کشورها تولید می‌شد. در اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی، یک کارخانه جدید در ارزیو در الجزایر، تولید بیش از ۱۷ میلیون متر مکعب (۶۰۰ میلیون فوت مکعب) را آغاز کرد که این مقدار برای تأمین تمام نیاز اروپا کافی بود. در همین‌حال، تا سال ۲۰۰۰، مصرف هلیوم درون ایالات متحده آمریکا، به ۱۵ میلیون کیلوگرم در سال افزایش یافت. بین سال‌های ۲۰۰۴–۲۰۰۶، کارخانه‌های بیش‌تری در راس لفان، قطر و سکیکده، الجزایر ساخته شد. الجزایر به‌سرعت به دومین تولیدکننده هلیوم دنیا تبدیل شد. در این زمان، هم مصرف هلیوم و هم هزینه تولید هلیوم افزایش یافت. از سال ۲۰۰۲ تا ۲۰۰۷، قیمت هلیوم دو برابر شد.
تا سال ۲۰۱۲، ذخیره ملی هلیوم ایالات متحده آمریکا، برابر با ۳۰ درصد کل هلیوم دنیا بوده‌است. انتظار می‌رفت که این ذخیره هلیوم، تا سال ۲۰۱۸ به اتمام برسد، با این‌حال، یک لایحه پیشنهادی در سنای ایالات متحده آمریکا، اجازه ادامه فروش هلیوم موجود در ذخیره ملی آمریکا را صادر کرد. دیگر ذخایر بزرگ هلیوم آمریکا در میدان گازی هیوگوتون در کانزاس، تگزاس و اوکلاهاما قرار داشتند. کارخانه‌های جدی هلیوم بر اساس برنامه قرار بود که در سال ۲۰۱۲ در قطر، روسیه و ایالت وایومینگ آمریکا شروع به کار کنند، اما انتظار نمی‌رفت که این کارخانه‌ها به موضوع کمبود هلیوم، کمک زیادی کنند.

در سال ۲۰۱۳، قطر شروع به ساخت بزرگ‌ترین واحد هلیوم دنیا نمود، بااین‌حال بحران دیپلماتیک قطر در سال ۲۰۱۷، به‌طور شدیدی تولید هلیوم در این کشور را تحت تأثیر قرار داد. غالباً گفته می‌شود که پس از سال‌ها کمبود هلیوم، در سال ۲۰۱۴ میزان تولید هلیوم بیشتر از تقاضای آن بوده‌است. بازار سهام بورس نزدک در سال ۲۰۱۵ گزارش کرد که برای شرکتی مانند ایر پروداکتز اند کمیکالز که شرکتی بین‌المللی و فروشنده گاز با کاربردهای صنعتی است، میزان هلیوم به دلیل محدودیت عرضه مواد اولیه، تحت فشار اقتصادی قرار دارد.

استخراج و توزیع 

برای استفاده در مقادیر زیاد، هلیوم به‌وسیله تقطیر جزء به جزء گاز طبیعی که حاوی ۷ درصد هلیوم است، تهیه می‌شود. به‌علت این‌که هلیوم دارای نقطه جوش پایین‌تری در مقایسه با دیگر عناصر است، دمای پایین و فشار زیاد مورد استفاده موجب مایع شدن تقریباً تمامی گازهای دیگر (غالباً نیتروژن و متان) می‌شود. گاز هلیوم ناخالص تولید شده به‌وسیله قرار گرفتن در دماهای پایین به‌صورت متوالی، خالص می‌شود و تقریباً تمامی نیتروژن و بقیه گازهای موجود از مخلوط گازی خارج می‌شوند. از کربن فعال برای خالص سازی هلیوم در آخرین مرحله استفاده می‌شود که معمولاً منجر به تولید هلیومی با کیفیت درجه آ و خلوص ۹۹٫۹۹۵ درصد می‌شود. اصلی‌ترین ماده ناخالص موجود در هلیوم دارای درجه آ، نئون است. در مرحله نهایی تولید، اغلب هلیوم تولید شده از طریق فرایند سرد کردن، مایع می‌شود. این کار برای استفاده از هلیوم مایع ضروری است و موجب می‌شود که هزینه تمام شده برای حمل و نقل هلیوم کاهش پیدا کند، چراکه بزرگ‌ترین مخزن هلیوم مایع دارای حجمی بیش از پنج برابر بزرگ‌ترین مخزن هلیوم گازی است.

در سال ۲۰۰۸، تقریباً ۱۶۹ میلیون متر مکعب استاندارد هلیوم از منابع استخراج یا از ذخایر برداشته شده‌است که از این میان، ۷۸ درصد سهم ایالات متحده، ۱۰ درصد سهم الجزایر و ۱۲ درصد باقی مانده، سهم عمده برای کشورهای روسیه، لهستان و قطر بوده‌است. تا سال ۲۰۱۳، افزایش تولید هلیوم قطر (توسط شرکت راس‌گس، به مدیریت ایر لیکوئید) موجب شد سهم قطر از هلیوم تولیدی دنیا به ۲۵ درصد افزایش یابد و این کشور را به دومین تولیدکننده هلیوم دنیا، پس از آمریکا تبدیل کرد. در سال ۲۰۱۶، ذخیره‌ای از هلیوم در تانزانیا کشف شد که تخمین زده می‌شود حاوی ۵۴ میلیارد متر مکعب هلیوم است.

در ایالات متحده آمریکا، اغلب هلیوم استخراج شده از منابع گاز طبیعی در هیوگوتون و نزدیک میدان گازی در کانزاس، اوکلاهاما و میدان پن‌هندل در تگزاس است. قبلاً اغلب گاز هلیوم تولیدی با کمک خط لوله ذخیره ملی هلیوم فرستاده می‌شد، اما از سال ۲۰۰۵، فروش ذخیره ملی شروع شد و انتظار می‌رود که تحت مصوبه مسئولیت مدیریت و نظارت بر هلیوم در سال ۲۰۱۳، تا ۲۰۲۱ مقداری زیادی از آن مصرف شود.
نفوذ گاز طبیعی ناخالص به درون غشاهای نیمه‌تراوا و دیگر موانع یکی از روش‌های بازیابی و خالص‌سازی هلیوم است. در سال ۱۹۹۶، ایالات متحده آمریکا دارای ذخایر اثبات شده هلیوم بالغ بر ۱۴۷ میلیارد فوت مکعب استاندارد (۴٫۲ میلیارد متر مکعب استاندارد) در مجموعه چاه‌های گازی این چنینی بود.

هلیوم باید از گاز طبیعی استخراج شود، چرا که مقدار آن در هوا، تنها به اندازه کسر کوچکی از نئون است. با این‌حال، تقاضا برای آن بسیار بیشتر از این میزان است. تخمین زده می‌شود که اگر تمامی تجیهزات فعلی مورد استفاده در تولید نئون برای تولید هلیوم استفاده شود، ۰٫۱ درصد از نیاز دنیا به هلیوم تأمین می‌شود. به‌صورت مشابهی، ۱ درصد نیاز دنیا به هلیوم تأمین می‌شود. هلیوم می‌تواند از طریق بمباران کردن لیتیم یا بور با کمک فوتون‌های پرسرعت یا بمباران لیتیم با دوتریوم سنتز شود، اما این فرایندها بسیار هزینه‌بر و فاقد صرفه اقتصادی هستند.

هلیوم به‌صورت متداول، یا به‌شکل مایع یا گاز در دسترس است. در شکل مایع، می‌تواند در مخزن‌های عایق کوچک موسوم به فلاسک یا دمابان نگهداری شوند. این محفظه‌ها می‌توانند حجمی تا ۱۰۰۰ لیتر داشته باشند. هلیوم مایع همچنین می‌تواند در محفظه‌های بزرگ ایزو که ظرفیت اسمی آنها ۴۲ متر مکعب (حدود ۱۱٬۰۰۰ گالن آمریکایی) است، نیز نگهداری شود. به‌صورت گازی، هلیوم می‌تواند در مقادیر کم در سیلندرهای تحت فشار بالا و با ظرفیت ۸ متر مکعب (حدود ۳۰۰ فوت مکعب استاندارد) نگهداری شود، درحالی‌که مقدار گاز نگهداری شده در تانکرهای تحت فشار زیاد به بیش از ۴٬۸۶۰ متر مکعب (حدود ۱۸۰٬۰۰۰ فوت مکعب استاندارد) می‌رسد.

کاربردها 

هلیوم در بسیاری از صنایع در سطح جهانی استفاده می‌شود و استفاده از آن در همه زمینه‌های تحقیقات علمی و محیط‌های تجاری، از جمله داروسازی، پزشکی، جوشکاری، علوم رایانه، اکتشافات فضایی وجود دارد. در سال ۲۰۱۴، تولید جهانی هلیوم حدود ۳۲ میلیون کیلوگرم (۱۸۰ میلیون متر مکعب استاندارد) بود. بیشترین میزان مصرف در این سال، مربوط به کاربردهای کرایوژنیک بود که حدوداً ۳۲٪ از کل مصرف هلیوم را شامل می‌شد. کاربردهای کرایوژنیک شامل خنک کردن آهنرباهای ابررسانا در اسکنرهای ام‌آرآی پزشکی و طیف‌سنج‌های ان‌ام‌آر است. رتبه‌های بعدی مصرف هلیوم در سال ۲۰۱۴، سیستم‌های فشار و پاکسازی، نگهداری اتمسفرهای کنترل‌شده و تشخیص نشت بود. سایر حوزه‌های مصرف هلیوم، درصدهای کم و نسبتاً جزئی داشتند. از دیگر کاربردهای مهم، ایجاد فشار، هوای پیرامونی کنترل شده و جوشکاری است که ۷۸ درصد از کل مصرف هلیوم در سال ۱۹۹۶ را تشکیل داده‌است. از گاز هلیوم در فضاپیماها، تلسکوپ‌ها و دستگاه نظارت بر پرتونگاری هسته‌ای استفاده می‌شود.

کروژنیک 

مخلوط هلیوم با گازهای سنگین‌تر مانند زنون، نسبت ظرفیت حرارتی بالا و عدد پرنتل پایینی دارد و برای سردسازی ترموآکوستیک استفاده می‌شود. هلیوم به دلیل اینکه نقطه ذوب و جوش بسیار کمی دارد و در فشار جو جامد نمی‌شود و در صفر درجه کلوین و از نظر شیمیایی بی اثر است به عنوان خنک‌کننده فوق‌العاده استفاده می‌شود. علاوه بر این، دمای هلیوم فوق مایع زیر ۲٫۲ کلوین است. تاکنون از ویژگی فوق رواناب منحصر به فرد آن در هیچ کاربرد صنعتی استفاده نمی‌شود. استفاده هلیوم در سیستم‌های سردسازی، نسبت به روش‌های قدیمی، دارای مزیت زیست‌محیطی است؛ چون اثرات مخربی مانند تخریب لایه ازون و گرمایش جهانی بر جای نمی‌گذارد.
هلیوم به عنوان یک خنک‌کننده فوق‌العاده برای کاربردهای برودتی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI), طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR)، شتاب‌دهنده‌های ذرات، برخورد دهنده بزرگ هادرونی، دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID), طیف‌سنجی رزونانس چرخش الکترون (ESR)، ذخیره انرژی مغناطیسی ابررسانا (SMES), ژنراتورهای ابررسانا مغناطیسی ، انتقال قدرت ، انتقال نیروی جذب مغناطیسی، سنسورهای ابررسانا، طیف‌سنج‌های جرمی، آهن‌رباهای ابررسانا، جداکننده مغناطیسی میدان قوی، آهن‌رباهای ابررسانای میدان تورویی برای راکتورهای همجوشی و سایر تحقیقات برودتی استفاده می‌شود. هلیوم مواد ابررسانا را تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد می‌کند، به طوری که مقاومت الکتریکی ابررساناها ناگهان به صفر می‌رسد. مقاومت الکتریکی بسیار کم ابررساناها باعث می‌شود که میدان‌های مغناطیسی قدرتمندتری ایجاد شود. در مورد تجهیزات MRI در بیمارستان‌ها، میدان مغناطیسی قدرتمندتر جزئیات بیشتری را در اسکن عکس رادیولوژی به دست می‌دهد.
برخورددهنده هادرونی بزرگ در سرن از ۹۶ تن هلیوم مایع برای حفظ دما در ۱٫۹ کلوین استفاده می‌کند.

ایروستاتیک 
 

از آنجا که این عنصر از هوا سبک‌تر و دارای چگالی کمتری است، از زمان جنگ جهانی اول از هلیوم به عنوان گاز بالابر برای بالن‌ها، بالن‌های هواشناسی، کشتی‌های هوایی و چشمک زدن استفاده می‌شود و برای پرواز کشتی‌های هوایی به گاز هلیوم رو آورده‌اند. استفاده از هلیوم به عنوان گاز بالابرنده اولین کاربرد هلیوم از زمان کشف آن بر روی زمین بود. در حالی که گاز هیدروژن بسیار شناور است و با سرعت کمتری از نفوذ به درون غشاء فرار می‌کند، هلیوم این مزیت را دارد که قابل اشتعال نیست و در واقع پیشگیرنده آتش است. کاربرد هلیوم در بالون‌ها بسیار شناخته‌شده‌است، اما این کاربرد، بخش کوچکی از مصرف این گاز است.

هوافضا 
کاربرد دیگر هلیوم، در ساخت راکت است. در این فرایند، هلیوم به عنوان یک ماده تخلیه کننده برای جابجایی سوخت و اکسید کننده‌ها در مخازن ذخیره‌سازی و چگالش کردن هیدروژن و اکسیژن برای ساختن پیشران راکت استفاده می‌شود. فضای خالی بالای مخزن سوخت از هلیوم پر می‌شود تا هم جابجایی سوخت و اکسیدکننده‌ها آسان‌تر شود و هم بتوان با آن هیدروژن و اکسیژن را فشرده کرد تا سوخت موشک به‌دست آید. همچنین برای پاک کردن سوخت و اکسیدکننده از تجهیزات پشتیبانی زمین قبل از پرتاب و برای خنک کردن هیدروژن مایع در وسایل نقلیه فضایی توسط آژانس‌های فضایی مانند آریاناسپاس و ناسا استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، موشک سترن ۵ که در برنامه آپولو مورد استفاده قرار گرفت، حدود ۳۷۰٬۰۰۰ متر مکعب هلیوم نیاز داشت. همچنین در موشک‌های دلتا IV از هلیوم برای حفظ فشار در مخازن سوخت اکسیژن مایع استفاده می‌شد.

جوشکاری 

هلیوم، به دلیل دارا بودن بالاترین پتانسیل یونیزاسیون در بین عناصر در فرایند جوشکاری با قوس الکتریکی و جوشکاری قوس پلاسما بر روی موادی که در دمای جوشکاری در اثر تماس با هوا یا نیتروژن دچار آسیب می‌شوند، به عنوان لایهٔ محافظ یا پوشش عمل می‌کند. جو محافظ هلیوم در اطراف محل جوشکاری از اکسید شدن فلز در حالت مذاب جلوگیری می‌کند. همچنین پتانسیل یونیزاسیون بالای هلیوم امکان جوشکاری قوس پلاسما را برای فلزاتی مانند تیتانیوم، زیرکونیوم، منیزیم و آلیاژهای آلومینیوم مورد استفاده در کشتی‌سازی و هوافضا فراهم می‌کند. تعدادی از گازهای محافظ بی اثر در جوش قوس الکتریکی تنگستن گازی استفاده می‌شود، اما هلیوم به جای گاز ارزان‌تر آرگون به خصوص برای جوشکاری‌هایی که رسانندگی گرمایی بیشتری دارند؛ مانند آلومینیوم یا مس استفاده می‌شود. از آنجا که هلیوم می‌تواند توسط آرگون یا هیدروژن جایگزین شود، اما برای جوشکاری قوس پلاسما برخی مواد مانند تیتانیوم نمی‌تواند جایگزین شود، زیرا هلیوم تنها گازی است که دارای فعالیت حرارتی به اندازه کافی بالا است تا ایمن باشد.

انتخاب یک گاز محافظ به عوامل مختلفی از جمله نوع ماده در حال جوشکاری، طراحی اتصالات و شکل ظاهری نهایی جوش بستگی دارد. مخلوط‌های آرگون-هلیوم اغلب در جوشکاری تیگ مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا می‌توانند کنترل ورودی حرارتی را افزایش دهند در حالی که مزایای استفاده از آرگون را حفظ می‌کنند. به‌طور معمول، این مخلوط‌ها در درجه اول با هلیوم (غالباً حدود ۷۵٪ یا بالاتر) و تعادل آرگون ساخته می‌شوند. این مخلوط سرعت و کیفیت جوشکاری متناوب آلومینیوم و نفوذ جوش در یک اتصال را افزایش می‌دهند و همچنین برخورد با قوس را آسان می‌کنند. این نوع جوشکاری با عنوان جوشکاری هلیارک شناخته می‌شود.

تشخیص نشت 

یکی از کاربردهای صنعتی هلیوم، تشخیص نشت است زیرا هلیوم کمترین اندازه مولکولی را دارد و به همین ترتیب یک مولکول تک اتمی است و از طریق کوچک‌ترین نشتی به راحتی عبور می‌کند. از آنجا که هلیوم سه برابر سریعتر از هوا از طریق مواد جامد واپخش می‌شود، از آن به عنوان گاز ردیاب برای تشخیص نشت در تجهیزات با خلاء بالا (مانند مخازن کرایوژنیک) و ظروف با فشار بالا استفاده می‌شود. شی مورد آزمایش در محفظه‌ای قرار می‌گیرد و سپس از هوا تخلیه و با هلیوم پر می‌شود. هلیوم که از طریق نشتی فرار می‌کند، توسط یک دستگاه حساس (طیف‌سنج جرمی هلیوم) شناسایی می‌شود. دقت این ابزار بسیار زیاد است و به ۹-۱۰ میلی‌بار در لیتر برثانیه (mbar×L/s) یا ۱۰-۱۰ پاسکال. مترمکعب بر ثانیه (Pa×m۳/s) هم می‌رسد. روش اندازه‌گیری معمولاً اتوماتیک است و تست انتگرال هلیوم نامیده می‌شود. یک روش ساده‌تر، پر کردن جسم آزمایش شده با هلیوم و جستجوی دستی نشت‌ها با یک وسیله دستی است.

هلیومی که از ترک‌های یک وسیله می‌گذرد را نباید با نفوذ گاز از بدنهٔ ماده اشتباه گرفت. ثابت نفوذ هلیوم از درون بدنهٔ موادی مانند شیشه، سرامیک و مواد آزمایشگاهی، مشخص و ضریب گذر آن قابل محاسبه‌است با این‌حال، بیشتر گازهای بی‌اثر مانند هلیوم، نمی‌توانند از بدنهٔ اغلب فلزات عبور کنند. هلیوم برای تشخیص نشت در موشک‌ها، مخازن سوخت، مبادلات حرارتی، خطوط گاز، دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، لوله‌های تلویزیون و سایر اجزای تولید شده فراهم می‌کند. هلیوم برای تشخیص نشت برای اولین بار در طی پروژه منهتن برای یافتن نشت در غنی‌سازی اورانیوم استفاده شد.

مخلوط‌های تنفسی 
هلیوم به دلیل حلالیت بسیار کم در آب و خون به عنوان گاز غواصی در عمق آب زیر ۳۰ متر استفاده می‌شود. به‌عنوان یک گاز استنشاقی، هلیوم فاقد اثرات خواب‌آلودگی است و برای جلوگیری تجمع نیتروژن در خون، به جای مخلوط‌های تنفسی ازت-اکسیژن از مخلوط گازهای حاوی هلیوم مانند تریمیکس، هلیوکس و هلی‌ایر، برای غواصی در آب‌های عمیق استفاده می‌شود که به موجب آن خواب‌آلودگی غواص در اعماق بیشترِ آب، کنترل می‌شود. علاوه بر این هلیوم باعث خوردگی تجهیزات نمی‌شود و سمی نیست. هرچه با افزایش عمق، فشار آب افزایش می‌یابد، چگالی گاز تنفسی نیز افزایش می‌یابد. برای حل این مشکل و تنفس آسان‌ترِ مخلوطِ گاز تنفسی، حضور هلیوم با جرم مولکولی کم، به‌طور قابل ملاحظه‌ای مؤثر است. اضافه شدن هلیوم به مخلوط گاز تنفسی، موجب کاهش عدد رینولدز می‌شود که در نتیجه جریان آشفتگی کاهش و جریان آرام افزایش می‌یابد و تنفس آسان می‌گردد. غواصانی که در عمق‌های بیش‌تر از ۱۵۰ متر (۴۹۰ فوت) از سطح دریا، مخلوطی از هلیوم-اکسیژن را تنفس می‌کنند، دچار لرزش و کاهش عملکرد حرکتی می‌شوند که از نشانه‌های سندرم عصبی فشار بالا است. این اثر ممکن است تا حدی با استفاده از افزودن مقداری از گازهای خواب‌آور مانند هیدروژن یا نیتروژن به مخلوط هلیوم-اکسیژن، کاهش یابد.

راکتورهای هسته‌ای 
هلیوم به عنوان واسطه انتقال گرما در راکتورهای هسته‌ای نسل جدید استفاده می‌شود و دارای چندین مزیت به عنوان محیط انتقال گرما است. هلیوم به‌علت واکنش ناپذیری و هدایت گرمایی بالا، شفافیت نوترونی و همچنین به‌این علت که در رآکتورها موجب تشکیل ایزوتوپ‌های پرتوزا نمی‌شود، به‌عنوان یک محیط انتقال حرارت در برخی از رآکتورهای هسته‌ای سرد شده با گاز استفاده می‌شود به طوری که یکی از کارآمدترین گاز انتقال گرما است. علاوه بر این هلیوم باعث خوردگی نمی‌شود و از نظر رادیولوژی بی اثر است (بدون ایزوتوپ رادیواکتیو) و بر ضریب ضریب نوترون تأثیر نمی‌گذارد. نیروگاه‌های هسته‌ای با هلیوم به عنوان محیط انتقال گرما دارای بازده و دمای عملیاتی بالاتر هستند.

لیزر و روشنایی 

هلیوم در لیزرها و روشنایی استفاده می‌شود. هلیوم به گاز تشدیدگر در لیزرهای گازی مانند لیزر هلیوم-نئون و لیزر CO۲ و لیزرهای بخار فلز مانند لیزر بخار فلز هلیوم-کادمیوم اعمال می‌شود. لیزرهای مختلف با هلیوم برای کاربردهای مختلف مانند تحقیقات علمی، تداخل‌سنجی، هولوگرافی، طیف‌سنجی، اسکن بارکد، ترازبندی، جراحی لیزر چشم، نمایش‌های نوری، برنامه‌های چاپ و حروفچینی، جوشکاری و برش استفاده می‌شود. بعلاوه از هلیوم به عنوان گاز فعال در لامپ‌های تخلیه گاز استفاده می‌شود. هلیوم رنگ‌هایی طیف سفید تا نارنجی منتشر می‌کند. لامپ‌های تخلیه گاز هلیوم توسط هنرمندان برای روشنایی با اهداف خاص استفاده می‌شود. لیزرهای هلیوم-نئون، لیزرهایی با توان کم و پرتویی قرمز رنگند که کاربردهای عملی متنوعی مانند بارکدخوان و اشاره‌گر لیزری دارند. البته امروزه این لیزرها، تقریباً در سراسر دنیا با لیزر ارزان‌تری با نام لیزر دیودی جایگزین شده‌اند.

دیگر کاربردها 
هلیوم به دلیل ویژگی واکنش‌ناپذیری و هدایت گرمایی بالا به عنوان گاز محافظ برای رشد کریستال‌های سیلیسیم و ژرمانیوم، در تولید تیتانیوم و زیرکونیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین به دلیل داشتن ویژگی‌های نزدیک به طبیعت گاز ایده‌آل، سرعت بالای صدا در آن و نسبت ظرفیت گرمایی بالا، در تونل باد فراصوتی و آزمون افزایش ناگهانی آنتالپی کاربرد دارد. سن سنگ‌ها و ترکیب معدنی حاوی اورانیوم و توریوم را می‌توان با اندازه‌گیری سطح هلیوم با فرایندی موسوم به تاریخ‌گذاری هلیوم تخمین زد. هلیوم یک گاز حامل متداول برای کروماتوگرافی گازی است. کروماتوگرافی اصطلاحی است که برای تکنیک‌های آزمایشگاهی در جداسازی مواد به‌طور گسترده‌ای برای تجزیه و تحلیل کمی و کیفی در فرایندها به کار می‌رود.

هلیوم در ساخت صفحه‌های LCD و در حین پردازش تراشه‌های نیمه‌رسانا به عنوان گاز محافظ،
و در هنگام تولید کابل فیبر نوری به عنوان خنک‌کننده کاربرد دارد.
استفاده از هلیوم به دلیل ضریب شکست بسیار پایین، اثرات تحریف کننده تغییرات دما در فضای بین لنزها را در بعضی از تلسکوپ‌ها کاهش می‌دهد. این روش به ویژه در تلسکوپ‌های خورشیدی که در آن لوله تلسکوپ خلاء خیلی سنگین است استفاده می‌شود.
از آن به عنوان گاز حامل پودر برای پاشش حرارتی و پاشش سرما استفاده می‌شود. پاشش حرارتی و پاشش سرما که به آن سمپاشی فلزی نیز گفته می‌شود، فرآیندهای پوشش سطحی است که می‌توان طیف وسیعی از فلزات و سرامیک‌ها را با سرعت زیاد بر روی سطح ماده دیگر پاشید تا پوشش‌های فلزی ایجاد شود.

هلیوم در آوریل ۲۰۲۰ برای استفاده‌های پزشکی در ایالات متحده برای انسان و حیوانات مورد تأیید قرار گرفت. استنشاق گاز هلیوکس (ترکیبی از گازهای اکسیژن و هلیوم) موجب کاهش مقاومت در مقابل عبور جریان هوا در زمان تنفس می‌شود. اثرات مفید این موضوع در بیماران مبتلا به آسم، مشکلات حاد تنفسی و برونشیت ملاحظه شده‌است.
همچنین از آن در رآکتور فلورید مایع توریم، پمپ حرارتی ترموآکوستیک، ساخت برخی از هارد دیسک‌ها استفاده می‌شود.

ایمنی و احتیاط

تنفس 

هلیوم طبیعی در شرایط استاندارد، آسیب‌رسان نیست. مقادیر بسیار اندکی از این ماده در خون انسان پیدا می‌شود. تنفس هلیوم به‌جای اکسیژن، می‌تواند منجر به خفگی شود.
سرعت صوت در هلیوم نزدیک به سه برابر سرعت آن در هوا است. از طرفی بسامد پایه طبیعی مجرای پر شده با گاز، با سرعت صوت در آن گاز متناسب است؛ بنابراین، هنگامی که فرد گاز هلیوم را تنفس می‌کند، به علت سرعت بیشتر حرکت صدا در گاز هلیوم در مقایسه با هوای معمولی، بسامد تولیدی توسط مجرای صوتی فرد تشدید می‌شود که این خود موجب تقویت فرکانس صدای فرد می‌شود. در صورت استنشاق گازهای سنگین‌تر از هوا مانند هگزا فلوراید گوگرد یا زنون، عکس حالت فوق رخ می‌دهد؛ به‌طوری که از فرکانس صدای فرد به‌خاطر کاهش سرعت صوت در این گازها، کاسته می‌شود. اگرچه این عنصر از نظر شیمیایی بی اثر است، اما آلودگی هلیوم باعث اختلال در عملکرد سامانه میکرو الکترومکانیکی می‌شود.

تنفس بیش از حد هلیوم می‌تواند خطرناک باشد؛ زیرا هلیوم یک آسفیکسی ساده است و اکسیژن مورد نیاز برای تنفس طبیعی را جابجا می‌کند. در پی غیرعادی شدن تنفس، رسیدن اکسیژن به بدن با دشواریِ بسیار جدی روبه‌رو می‌شود. گزارش‌هایی از مرگ میر بر اثر تنفس هلیوم وجود دارد مثلاً در سال ۲۰۰۳ در ونکوور یک جوان و در سال ۲۰۰۶ در فلوریدای جنوبی دو بزرگسال به همین دلیل مردند. در سال ۱۹۹۸ در ویکتوریا، استرالیا دختری به دلیل تنفس کل محتوای یک بادکنک مهمانی حاوی هلیوم بی‌هوش شد و به‌طور موقت دچار کبودی شد. تنفس هلیوم به‌طور مستقیم از سیلندرهای تحت فشار یا حتی شیرهای پر کننده بادکنک بسیار خطرناک است، زیرا سرعت و فشار زیاد جریان می‌تواند منجر به باروتروما و پارگی کشنده بافت ریه شود.

مرگ ناشی از هلیوم نادر است. اولین پرونده ثبت شده در رسانه‌ها مربوط به یک دختر ۱۵ ساله و اهل تگزاس بود که در سال ۱۹۹۸ در اثر تنفس هلیوم در مهمانی یکی از دوستانش درگذشت. نوع دقیق مرگ هلیوم مشخص نیست.
در ایالات متحده بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۴ مرگ دو نفر گزارش شده‌است، از جمله مردی که در سال ۲۰۰۲ در کارولینای شمالی در اثر باروتروما درگذشت. در سال ۲۰۰۳ در ونکوور، جوانی دچار آسپیراسیون ریوی شد و یک مرد ۲۷ ساله نیز در استرالیا بعد از تنفس از یک کپسول هلیوم در سال ۲۰۰۰ دچار آمبولی شد. سال ۲۰۱۳ در میشیگان نیز دختری بر اثر هیپوکسی درگذشت. در ۲۸ ژانویه، یکی از اعضای یک گروه موزیک ژاپنی، هنگام ضبط برنامه تلویزیونی پس از تنفس هلیوم در حین ضبط دچار آمبولی هوا شد و به کما رفت. این حادثه تا یک هفته بعد؛ یعنی ۴ فوریه ۲۰۱۵ علنی نشد.

سوختگی و انفجار 
موارد ایمنی هلیوم کرایوژنیک مشابه موارد با نیتروژن مایع است. دمای بسیار پایین آن می‌تواند منجر به سوختگی سرما شود و در صورت عدم نصب وسایل فشارسنج، نسبت انبساط مایع به گاز می‌تواند باعث انفجار شود. ظروف گاز هلیوم در دمای ۵ تا ۱۰ کلوین به دلیل انبساط حرارتی سریع و قابل توجه که هنگام گرم شدن گاز هلیوم در کمتر از ۱۰ کلوین به دمای اتاق می‌رسد باید به گونه‌ای به کار گرفته شوند که گویی حاوی هلیوم مایع هستند. اوت ۲۰۲۰ یک مخزن هلیوم که درون کیسه زباله خانگی گذاشته شده بود هنگام ورود به دستگاه جمع‌کننده زباله در اثر برخورد منفجر و بقایای مخزن تا ۱۰۰ فوت دورتر از کمپکتور پراکنده شده بود.

دیگر 
در فشارهای بالا (بیش از حدود ۲۰ اتمسفر یا دو مگاپاسکال)، مخلوطی از هلیوم و اکسیژن (هلیوکس) می‌تواند منجر به سندرم عصبی با فشار بالا، نوعی اثر بی‌حس کننده معکوس شود. اضافه کردن مقدار کمی ازت به مخلوط می‌تواند مشکل را کاهش دهد.

در ژوئیه ۲۰۱۲، در دانشگاه نبراسکا، یک ابزار تشدید مغناطیسی هسته‌ای ۶۰۰ مگاهرتزی را که برای مطالعه ساختارهای مولکولی استفاده می‌شد به دلیل نشت هلیوم از دست داد. با کاهش مقدار هلیوم و تأمین نشدن مقدار از دست رفته، باقی‌مانده آن ناگهان جوشید و یک آهنربای پیچیده ۵۰۰٬۰۰۰ دلاری به انبوهی از آشغال تبدیل شد. برای دانشمندان شیمی تجزیه که به هلیوم به عنوان گاز حامل کروماتوگرافی گازی و طیف‌سنجی جرمی وابسته هستند، استفاده از هیدروژن و اتخاذ استراتژی‌های حفاظت از هلیوم در حال تبدیل شدن به رویکردهای عملی هستند.

جستارهای وابسته 

 پدیده لایدن‌فراست
 روش تست نشت ردیاب گازی
 ژول ژانسن
 فیوژن راکت
 منشأ نفتی ابیوژنیک
 همیلتون کدی

پانویس

توضیحات

واژه‌نامه

منابع

پیوند به بیرون 
عمومی

 It's Elemental – Helium
 Where is all the helium? Aga website
 U.S. Geological Survey publications on helium beginning 1996: Helium
 Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Helium
 U.S. Government's Bureau of Land Management: Sources, Refinement, and Shortage. With some history of helium.
 International Chemical Safety Cards – Helium; includes health and safety information regarding accidental exposures to helium

جزئیات بیشتر

 Helium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
 Lancaster University, Ultra Low Temperature Physics – includes a summary of some low temperature techniques
 Helium at the Helsinki University of Technology; includes pressure-temperature phase diagrams for helium-3 and helium-4

گوناگون

 Article about helium and other noble gases
 Physics in Speech with audio samples that demonstrate the unchanged voice pitch

کمبود هلیوم

 
 Helium Program: Urgent Issues Facing BLM's Storage and Sale of Helium Reserves: Testimony before the Committee on Natural Resources, House of Representatives Government Accountability Office
 America’s Helium Supply: Options for Producing More Helium from Federal Land: Oversight Hearing before the Subcommittee on Energy and Mineral Resources of the Committee on Natural Resources, U.S. House Of Representatives, One Hundred Thirteenth Congress, First Session, Thursday, July 11, 2013
 

 
افزودنی‌های عدد ئی
تجهیزات غواصی
سردکننده‌های رآکتور هسته‌ای
عناصر شیمیایی
فازهای کوانتومی
گازهای نجیب
مواد سردکننده
نوشتارهای صوتی
ویکی‌سازی رباتیک