Helium, ký hiệu He, có số hiệu nguyên tử 2 và thuộc nhóm khí hiếm. Ở điều kiện thông thường, đơn chất tồn tại dưới dạng khí không màu, không mùi; các hạt khí chủ yếu là nguyên tử riêng lẻ.
Helium, ký hiệu He, có số hiệu nguyên tử 2 và thuộc nhóm khí hiếm. Ở điều kiện thông thường, đơn chất tồn tại dưới dạng khí không màu, không mùi; các hạt khí chủ yếu là nguyên tử riêng lẻ. Đặc điểm đáng chú ý của helium không nằm ở khả năng tạo nhiều hợp chất, mà ở sự kết hợp giữa khối lượng nhỏ, tương tác liên nguyên tử yếu và mức độ trơ hóa học rất cao.
Nguyên tử helium trung hòa có hai proton và hai electron. Cả hai electron cùng chiếm orbital 1s, làm đầy lớp electron thứ nhất. Vì vậy, khi giải thích độ bền của helium, quy tắc phù hợp là lớp thứ nhất chứa tối đa hai electron, không phải yêu cầu đủ tám electron như cách diễn đạt thường gặp về các khí hiếm ở chu kỳ sau.
Tính trơ cần được hiểu trong phạm vi điều kiện khảo sát. Việc khó tạo liên kết hóa học thông thường không có nghĩa helium không tương tác vật lý với môi trường. Khí vẫn có thể bị nén, hóa lỏng, hấp phụ và trao đổi năng lượng. Phân biệt liên kết hóa học với tương tác yếu giữa các hạt giúp giải thích vì sao một nguyên tố rất ít phản ứng vẫn có thể tham gia nhiều quá trình công nghệ.
Nhiệt độ sôi của helium-4 ở áp suất khí quyển xấp xỉ 4,22 K, tương đương −268,93 °C. Mức nhiệt này thấp hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của nitrogen lỏng. Helium lỏng vì thế được sử dụng để làm lạnh những thiết bị cần hoạt động rất gần độ không tuyệt đối, trong đó có nhiều nam châm siêu dẫn của máy cộng hưởng từ và hệ thống nghiên cứu vật lý hạt.
Trong một hệ làm lạnh, không thể chỉ xét nhiệt độ của chất lỏng. Công suất tải nhiệt, tốc độ bay hơi, áp suất vận hành và khả năng thu hồi khí đều ảnh hưởng đến hiệu quả. Helium không tự tạo ra trạng thái siêu dẫn; nó giúp duy trì điều kiện nhiệt độ để một vật liệu thích hợp biểu hiện trạng thái đó. Đây là khác biệt quan trọng giữa chức năng của môi chất và tính chất của vật liệu được làm lạnh.
Helium có mặt trong khí tự nhiên và được thu hồi cùng quá trình xử lý một số nguồn khí. Trên Trái Đất, sự phân rã alpha của các hạt nhân phóng xạ góp phần tạo helium-4: hạt alpha nhận electron trở thành nguyên tử helium. Tuy nhiên, không phải mọi mỏ khí đều có hàm lượng đủ lớn để việc thu hồi mang ý nghĩa kinh tế.
Cần phân biệt helium-3 và helium-4. Chúng có cùng số proton nên cùng là helium, nhưng khác số neutron, dẫn đến khác biệt về đặc trưng hạt nhân và hành vi ở nhiệt độ rất thấp. Khi đọc thông số kỹ thuật, tên nguyên tố chưa đủ để xác định toàn bộ tính chất của môi chất; thành phần đồng vị và điều kiện đo cũng có ý nghĩa.
Ngoài làm lạnh, helium được dùng trong kiểm tra rò rỉ và tạo môi trường bảo vệ cho một số quy trình công nghệ. Kích thước nguyên tử nhỏ khiến khả năng làm kín của thiết bị trở thành vấn đề cần được đánh giá riêng. Một mối nối kín với nước không đương nhiên kín với helium, bởi cơ chế vận chuyển của chất lỏng và khí qua khe hở không giống nhau.
Helium không duy trì sự cháy, nhưng điều này không đồng nghĩa khí có thể được hít trực tiếp. Khí chiếm chỗ của oxygen có thể gây thiếu oxygen; helium lỏng còn đặt ra nguy cơ bỏng lạnh và tăng áp khi hóa hơi. Vì thế, giá trị của helium trong nghiên cứu và công nghiệp luôn gắn với hệ thống thông gió, giám sát khí và quản lý áp suất phù hợp.
