L’hélium est l'élément chimique de numéro atomique 2, de symbole He. Pratiquement inerte, c'est le premier de la famille des gaz nobles (ou gaz rares) dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi les corps connus, et il n'existe sous forme solide que s'il est soumis à une pression supérieure à .
L'hélium possède deux isotopes stables : l' (He), le plus abondant, et l' (He). Ces deux isotopes, contrairement à ceux de la plupart des éléments chimiques, diffèrent sensiblement dans leurs propriétés, car le rapport de leurs masses atomiques est important. D'autre part, les effets quantiques, sensibles à basse énergie, leur donnent des propriétés très différentes. Le présent article traite essentiellement de l' (He). L'article compile les propriétés spécifiques de l'isotope He.
Le mot hélium a été construit à partir du grec Helios (, ), cet élément ayant été observé pour la première fois dans le spectre solaire le , au cours d'une éclipse totale de Soleil, par l'astronome Jules Janssen.
L'hélium est, après l'hydrogène, l'élément le plus abondant dans l'Univers. L'essentiel de cet hélium a été produit lors de la nucléosynthèse primordiale mais d'autres processus en produisent, notamment la . Sur la Terre, selon une estimation du des États-Unis de 2006, les ressources d'hélium totalisent de mètres cubes.
L'hélium est un gaz indispensable à la recherche scientifique et à l’innovation industrielle, notamment en cryogénie. Plusieurs de ses usages sont en forte croissance, alors que la production industrielle a diminué pour des raisons conjoncturelles : en 2010, la raréfaction des sources d'hélium facilement accessible est jugée inquiétante., et elle empire en 2026. Le marché de l'hélium depuis le début du est marqué par une transition structurelle, passant d'une situation d'excédent historique pilotée par les États-Unis à une instabilité chronique caractérisée par des crises d'offre successives, dites « ». avec en 2026 une importante chute de la production due à la guerre au Moyen-Orient et en particulier à la fermeture du site de Ras Laffan au Qatar. Dans le même temps, un usage croissant du refroidissement à l'hélium se développe, par exemple pour ː les aimants des tokamaks nécessaires à la fusion ; des transports à lévitation magnétique (Maglev, dont le train japonais SCMaglev, qui a atteint un record de , grâce à ses aimants supraconducteurs embarqués refroidis à l'hélium liquide) ; les câbles électriques supraconducteurs ; la gravure nanométrique des puces informatiques… Ces installations recyclent leur hélium, mais le coût de remplissage initial et le coût de compensation des pertes deviennent des postes budgétaires critiques. La recherche développe des supraconducteurs à haute température (refroidis à l'azote liquide, moins cher), mais en 2025, l'hélium reste la norme pour les systèmes exigeant la plus haute intensité de champ magnétique.
Une pénurie prolongée pourrait freiner la recherche fondamentale. en physique et en médecine notamment et en informatique quantique, retarder les phases de tests des grands aimants supraconducteurs des projets en construction et peut-être affecter les fonderies de puces d'IA. Sa rareté impose une gestion rigoureuse de ce gaz, et la recherche d'alternative.
Origine géologique L’hélium présent dans la croûte terrestre est radiogénique, c'est-à-dire résultant de la décroissance radioactive de certains nucléides, principalement celle de l'uranium et du thorium des roches. Il peut s'accumuler dans des eaux souterraines anciennes et dans certains gisements souterrains gaziers en association avec d’autres gaz (azote et gaz naturel, en fonction des propriétés géologiques des réservoirs).
Sa distribution sur Terre dépend à la fois des processus radioactifs internes à la Terre et des conditions physiques permettant sa rétention ou son échappement dans l'atmosphère..
Des chercheurs des universités d’Oxford et Durham, en lien avec une compagnie norvégienne (Helium One) ont montré que des poches de gaz contenant jusqu’à 10% d’hélium se trouvaient régulièrement à proximité des volcans. Un de ces gisements, repéré en Tanzanie représenterait 1,5 milliard de mètres cubes.
Isotopes et propriétés nucléaires
vignette| gauche| redresse=0.7| Schéma de l'. vignette| gauche| redresse=0.7| Schéma de l'. On connait huit isotopes de l'hélium. L' (deux protons et un neutron) et l' (deux protons et deux neutrons) sont stables, les autres sont extrêmement instables, certains n'existant virtuellement que lors de leur formation. Dans l'atmosphère terrestre, il n'y a qu'un atome d' pour environ un million d'atomes d'.. Contrairement à la plupart des éléments, l'abondance isotopique de l'hélium varie considérablement selon son origine, en raison des processus de formation différents. L'isotope le plus abondant, l', est produit sur Terre par la radioactivité α d'éléments lourds : les particules α qui y sont produites sont des noyaux d' complètement ionisés. L' est un noyau à la stabilité inhabituelle, parce que ses nucléons sont arrangés en couches complètes.
À l'échelle de l'Univers, la grande partie de l'hélium présent a été formé (en quantités énormes, environ 25 % de toute la matière) lors de la nucléosynthèse primordiale.;.. Quasiment tout le reste de l'hélium produit dans l'Univers l'est (ou l'a été) lors de la nucléosynthèse stellaire.
L' n'est présent sur Terre qu'à l'état de traces ; la plupart date de la formation de la Terre, bien qu'un peu tombe encore dessus, piégé dans la poussière interstellaire. seulement. Article proposé à la vente.. Des traces sont aussi produites encore par la radioactivité β du tritium. Les roches de la croûte terrestre ont des rapports isotopiques variant jusqu'à un et ces rapports peuvent être utilisés pour la détermination de l'origine des roches et la composition du manteau terrestre. L' est bien plus abondant dans les étoiles, mais bien qu'il soit produit lors de la fusion nucléaire, les étoiles n'en relâchent que très peu (comme le deutérium et le lithium, ou le bore) car il n'apparait que dans une chaine intermédiaire menant à l' : il est « consommé » au fur et à mesure de sa production dans les étoiles. Par suite, dans le milieu interstellaire, le rapport isotopique est environ plus élevé que sur Terre. Les matériaux extraplanétaires, comme le régolithe de la Lune ou des astéroïdes, ont des traces d' provenant du vent solaire. La surface de la Lune en contient une concentration de l'ordre de 10... Certains auteurs, dont Gerald Kulcinski en 1986., ont proposé d'explorer la Lune, d'extraire l' du régolithe et de l'utiliser pour produire de l'énergie par fusion nucléaire.
L' peut être refroidi jusqu'à environ par évaporation. L', qui a un point d'ébullition inférieur, peut être refroidi jusqu'à par la même méthode. Des mélanges à parts égales d' et 4 se séparent, au-dessous de , car ils ne sont plus miscibles, en raison de leurs différences (l'atome d' étant un boson tandis que l'atome d' est un fermion, ils suivent deux statistiques quantiques différentesStatistique de Bose-Einstein et statistique de Fermi-Dirac.). Les réfrigérateurs à dilution utilisent cette propriété pour atteindre quelques millikelvins.
On peut produire par des réactions nucléaires d'autres isotopes de l'hélium, qui sont instables et se désintègrent rapidement en d'autres noyaux. L'isotope dont la demi-vie est la plus courte est l' (, sans aucun neutron : le diproton, qui se désintègre en deux protons en ). L' et l' se désintègrent par émission d'un neutron, avec une demi-vie de et , respectivement. L' et l' se désintègrent par , avec une demi-vie de et , respectivement. Les ont une structure lâche, dans laquelle des neutrons orbitent loin du cœur, ce que l'on appelle halo nucléaire.
Le corps simple hélium L'hélium est un gaz incolore, inodore et non toxique. Il est pratiquement inerte chimiquement, monoatomique en toute circonstance. Dans un vaste domaine de températures et de pressions, il se comporte expérimentalement comme un gaz parfait, ce qui en fait une substance privilégiée pour l'expérimentation des théories physico-chimiques. Les deux isotopes stables de l'hélium sont les seuls composés chimiques à ne pas posséder de point triple..
Gaz La conductivité thermique de l'hélium gazeux est supérieure à celle de tous les gaz, sauf l'hydrogène, et sa chaleur spécifique est exceptionnellement élevée. Son coefficient de Joule-Thomson est négatif à température ambiante, ce qui signifie que, contrairement à la plupart des gaz, il se réchauffe lorsqu'il peut se détendre librement. La température d'inversion de Joule-Thomson est d'environ , soit à la pression d'.. Une fois refroidi en dessous de cette température, l'hélium peut être liquéfié par le refroidissement dû à sa détente.
L'hélium est aussi le gaz le moins hydrosoluble de tous les gaz connus. En raison de la petite taille de ses atomes, sa vitesse de diffusion à travers les solides est égale à trois fois celle de l'air et environ 65 % celle de l'hydrogène.
L'indice de réfraction de l'hélium est plus proche de l'unité que celui de n'importe quel autre gaz. La vitesse du son dans l'hélium est supérieure à celle dans tout autre gaz, sauf l'hydrogène.
Contrairement au plasma, le gaz est un excellent isolant électrique.
Plasma vignette| gauche| redresse=0.7| Une lampe à décharge fonctionnant à l'hélium. La plupart de l'hélium extraterrestre se trouve dans l'état de plasma, dont les propriétés diffèrent notablement de celles de l'hélium atomique. Dans le plasma, les électrons de l'hélium ne sont pas liés au noyau, ce qui conduit à une très grande conductivité électrique, même quand l'ionisation est partielle. Les particules chargées sont très sensibles aux champs électrique et magnétique. Par exemple, dans le vent solaire, l'hélium et l'hydrogène ionisés interagissent avec la magnétosphère terrestre, donnant lieu aux phénomènes de courants de Birkeland et aux aurores polaires.
Comme les autres gaz nobles, l'hélium a des niveaux d'énergie métastables qui lui permettent de rester excité dans une décharge électrique dont la tension est inférieure à son potentiel d'ionisation. Ceci permet son utilisation dans les lampes à décharge.
Liquide
Contrairement aux autres éléments, l'hélium reste liquide jusqu'au zéro absolu, à des pressions inférieures à . Ceci est une conséquence directe de la mécanique quantique : plus précisément, l'énergie des atomes dans l'état fondamental du système est trop élevée pour permettre la solidification.
Au-dessous du point d'ébullition à et au-dessus du point lambda à , l' existe sous forme d'un liquide normal incolore, appelé . Comme les autres liquides cryogéniques, il bout quand il est chauffé et se contracte quand sa température est abaissée. L' a un indice de réfraction voisin de celui des gaz : 1,026 ; ce qui rend sa surface tellement difficile à apercevoir que l'on utilise souvent des flotteurs de mousse de polystyrène pour voir son niveau. Ce liquide incolore a une viscosité très faible et une densité de , ce qui n'est qu'un quart de la valeur prévue par la physique classique. Il faut recourir à la mécanique quantique pour expliquer cette propriété et donc l'hélium liquide sous ses diverses formes est appelé fluide quantique, pour signifier que les effets de la mécanique quantique, normalement sensibles seulement à l'échelle microscopique, se manifestent à l'échelle macroscopique car l'atome d' est un boson. Ceci s'interprète comme une conséquence du fait que le point d'ébullition est si rapproché du zéro absolu que les mouvements thermiques aléatoires ne peuvent plus masquer les propriétés atomiques.
Superfluide
vignette|gauche|Diagramme de phase de l'hélium à basse température.
L'hélium liquide en dessous du point lambda commence à présenter des caractères tout à fait inhabituels, dans un état appelé .