L'hélium est l'élément chimique de numéro atomique 2, de symbole He. C'est un gaz noble (ou gaz rare), pratiquement inerte, le premier de la série des gaz nobles 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 qu'au-dessus d'une pression de 25 atm.

L'hélium possède deux isotopes stables : He, le plus abondant, et 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'hélium 4 (He). L'article Hélium 3 compile les propriétés spécifiques de l'isotope He.

Le mot hélium a été construit à partir du grec Helios (Ἥλιος / Hếlios, « le Soleil »), cet élément ayant été observé pour la première fois dans le spectre solaire.

L'hélium est, après l'hydrogène, l'élément le plus abondant de l'Univers. L'essentiel de cet hélium a été produit lors de la nucléosynthèse primordiale mais d'autres processus en produisent, notamment la radioactivité α (cf. sous-section Abondance naturelle).

L'hélium a divers usages en forte croissance, alors que la production industrielle a diminué pour des raisons conjoncturelles : sa raréfaction devient inquiétante.

Isotopes et propriétés nucléaires

On connait huit isotopes de l'hélium, mais seuls l'hélium 3 et l'hélium 4 sont stables, tous les autres sont extrêmement instables, certains n'existant virtuellement que lors de leur formation. Dans l'atmosphère terrestre, il n'y a (environ) qu'un atome d'hélium 3 pour un million d'atomes d'hélium 4. 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'hélium 4, est produit sur Terre par la radioactivité α d'éléments lourds : les particules α qui y sont produites sont des noyaux d'hélium 4 complètement ionisés. L'hélium 4 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'hélium 3 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. 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 facteur 10 et ces rapports peuvent être utilisés pour la détermination de l'origine des roches et la composition du manteau terrestre. L'hélium 3 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'hélium 4 : 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 100 fois plus élevé que sur Terre. Les matériaux extraplanétaires, comme le régolithe de la Lune ou des astéroïdes, ont des traces d'hélium 3 provenant du vent solaire. La surface de la Lune en contient une concentration de l'ordre de 10 . Un certain nombre d'auteurs, commençant par Gerald Kulcinski en 1986, ont proposé d'explorer la Lune, d'extraire l'hélium 3 du régolithe et de l'utiliser pour produire de l'énergie par fusion nucléaire.

L'hélium 4 peut être refroidi jusqu'à environ 1 K par évaporation. L'hélium 3, qui a un point d'ébullition inférieur, peut être refroidi jusqu'à 0,2 K par la même méthode. Des mélanges à parts égales d'hélium 3 et 4 se séparent, au-dessous de 0,8 K, car ils ne sont plus miscibles, en raison de leurs différences (l'atome d'hélium 4 étant un boson tandis que l'atome d'hélium 3 est un fermion, ils suivent deux statistiques quantiques différentes). Les réfrigérateurs à dilution utilisent cette propriété pour atteindre quelques millikelvins.

On peut fabriquer par réactions nucléaires d'autres isotopes de l'hélium, qui sont instables, et se désintègrent rapidement vers d'autres noyaux. L'isotope dont la demi-vie la plus courte, si on peut même parler d'isotope dans ce cas, est l'hélium 2 (2 protons, sans neutron : le diproton, qui se désintègre en deux protons en 3×10 s). L'hélium 5 et l'hélium 7 se désintègrent par émission d'un neutron, avec une demi-vie de 7,6×10 s et 2,9×10 s, respectivement. L'hélium 6 et l'hélium 8 se désintègrent par radioactivité β, avec une demi-vie de 0,8 s et 0,119 s, respectivement. Les isotopes 6 et 8 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 2 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 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 40 K soit −233,15 °C à la pression d'1 atm. 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

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 25 atm. 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 (voir sous-chapitre #Solide).

Au-dessous du point d'ébullition à 4,22 K et au-dessus du point lambda à 2,1768 K, l'hélium 4 existe sous forme d'un liquide normal incolore, appelé hélium I. Comme les autres liquides cryogéniques, il bout quand il est chauffé et se contracte quand sa température est abaissée. L'hélium I 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 0,125 = 1/8, 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'hélium 4 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

L'hélium liquide en dessous du point lambda commence à présenter des caractères tout à fait inhabituels, dans un état appelé hélium II.

À la transition de l'hélium I vers l'hélium II au point lambda, l'hélium se dilate. Quand la température baisse, l'hélium II continue à se dilater, jusqu'environ 1 K, où il recommence à se contracter comme la plupart des corps.

L'hélium II peut s'écouler à travers des capillaires de 10 à 10 m, sans viscosité mesurable. Cependant quand on mesure la viscosité entre deux disques tournant l'un par rapport à l'autre, on trouve une viscosité comparable à celle de l'hélium gazeux. La théorie actuelle explique ce fait en utilisant un modèle à deux fluides de László Tisza (en) pour l'hélium II. Dans ce modèle, l'hélium liquide, au-dessous du point lambda, consiste en un mélange d'atomes d'hélium dans l'état fondamental et d'atomes dans des états excités, qui se comportent davantage comme un fluide ordinaire.

Une illustration de cette théorie est donnée par l'effet fontaine. Dans cette expérience, un tube vertical, présentant un petit ajutage à son extrémité supérieure, est plongé par son extrémité inférieure dans un bain d'hélium II. Il y est bouché par un disque fritté, au travers duquel seul le fluide sans viscosité peut circuler. Si l'on chauffe le tube, en l'éclairant par exemple, on va y transformer la partie superfluide en fluide ordinaire. Pour rétablir l'équilibre des deux fluides avec le bain, du superfluide va pénétrer à travers le bouchon fritté, et pour conserver le volume, une partie du contenu du tube sera éjecté par l'ajutage supérieur, formant un jet, que l'on peut interrompre en cessant de chauffer.

La conductivité thermique de l'hélium II est supérieure à celle de tout autre corps connu. Ceci empêche l'hélium II de bouillir, car tout apport de chaleur se transporte immédiatement à la surface, où il provoque tout simplement l'évaporation en gaz. Cette conductivité est un million de fois supérieure à celle de l'hélium I, et plusieurs centaines de fois celle du cuivre. Ceci est dû au fait que la conduction de la chaleur se fait par un mécanisme quantique exceptionnel. La plupart des matériaux bons conducteurs de la chaleur ont une bande de valence d'électrons libres qui servent à conduire la chaleur. L'hélium II n'a pas de telle bande et pourtant conduit bien la chaleur. Le flux de chaleur obéit à des équations semblables aux équations d'onde de la propagation du son dans l'air. Quand de la chaleur est introduite, elle se déplace à 20 m⋅s à 1,8 K dans l'hélium II. On appelle ces ondes deuxième son.

L'hélium II rampe sur les surfaces de façon à rétablir l'équilibre hydrostatique.

Contrairement aux liquides ordinaires, l'hélium II rampe le long des surfaces, même, apparemment, contre la gravité. Il s'échappera d'un récipient non fermé en rampant sur les côtés, à moins qu'il ne rencontre un endroit moins froid où il s'évapore. Quelle que soit la surface, il se déplace en un film de quelque 30 nm. Ce film est appelé film de Rollin, en souvenir du physicien qui l'a caractérisé le premier, Bernard V. Rollin. À la suite de cet effet et de la capacité de l'hélium II de passer rapidement à travers de petites ouvertures, il est difficile de confiner l'hélium liquide. À moins que le récipient ne soit astucieusement construit, l'hélium II escaladera les parois et passera à travers les vannes jusqu'à ce qu'il atteigne une région plus chaude où il s'évaporera. Les ondes qui se propagent le long d'un film de Rollin obéissent aux mêmes équations que les vagues en eau peu profonde, mais la force de rappel est ici la force de van der Waals à la place de la gravité. Ces ondes sont connues sous le nom de troisième son.

Solide

L'hélium ne se solidifie que sous l'effet de fortes pressions. Le solide pratiquement invisible et incolore qui en résulte est fortement compressible ; une compression en laboratoire peut réduire son volume de plus de 30 %. Avec un module d'élasticité cubique de l'ordre de 5×10 Pa, il est cinquante fois plus compressible que l'eau. Dans des conditions normales de pression, et à l'inverse des autres éléments, l'hélium ne se solidifie pas et reste liquide jusqu'au zéro absolu. L'hélium solide nécessite une pression minimale d'environ 26 atm. Il est souvent assez difficile de distinguer l'hélium solide de l'hélium liquide, leurs indices de réfraction étant presque identiques. Le solide a une chaleur latente (chaleur de fusion) élevée et une structure cristalline hexagonale, comme celle de l'eau.

Propriétés chimiques

Avec le néon, l'hélium est chimiquement le moins réactif de tous les corps dans les conditions normales, en raison de sa valence égale à 0. Il peut néanmoins former des composés instables (excimères) avec le tungstène, l'iode, le fluor, le soufre et le phosphore en phase plasma, par décharge ou d'une autre manière. HeNe, HgHe10, WHe2 et les ions moléculaires He2, He2, HeH, HeD ont été créés de cette manière. Cette technique a aussi permis la production de la molécule neutre He2, qui possède un plus grand nombre de systèmes de bandes, et HgHe, dont la cohésion ne semble reposer que sur des forces de polarisation. Théoriquement, d'autres composants comme le fluorohydrure d'hélium (HHeF) sont également possibles.

Il semblerait à l'heure actuelle que les seuls composés stables de l'hélium prouvés soient des complexes endoédriques de fullerènes, comme He@C60, qui désigne un atome d'hélium emprisonné dans une cage de fullerène C60.

Propriétés biologiques

L'hélium, neutre, dans les conditions standard, est non-toxique, ne joue aucun rôle biologique et on en trouve à l'état de traces dans le sang humain. Si l'on en inhale assez pour que le dioxygène nécessaire à une respiration normale soit déplacé, l'asphyxie devient possible.

Inhalation

Fichier audio Texte lu à l'hélium Si besoin, utilisez la touche page précédente du navigateur en fin d'audition. (en) Helium is a colorless, odorless, tasteless, non-toxic, inert monatomic chemical element, that heads the noble gas series in the periodic table and whose atomic number is 2. Its boiling and melting points are the lowest among the elements and it exists only as a gas except in extreme conditions. Des difficultés à utiliser ces médias ? modifier

La voix d'un individu qui a inhalé de l'hélium change temporairement de timbre vers les harmoniques élevés — la vitesse du son dans l'hélium est presque trois fois celle dans l'air — et comme la fréquence fondamentale d'une cavité remplie de gaz est proportionnelle à la vitesse du son, l'inhalation d'hélium correspondra à une augmentation des fréquences de résonance de l'appareil phonatoire qui modulent la fréquence fondamentale donnée par les cordes vocales. Un effet opposé, de baisse de timbre, peut être obtenu en inhalant un gaz dense, comme l'hexafluorure de soufre.

L'inhalation d'hélium à faible dose est normalement sans danger. Cependant l'utilisation d'hélium du commerce tout venant, comme celui utilisé pour gonfler des ballons, peut être dangereuse en raison des nombreux contaminants qu'il peut contenir, traces d'autres gaz, ou aérosols d'huile lubrifiante.

L'inhalation d'hélium en excès peut être dangereuse, puisque l'hélium est simplement un asphyxiant, qui remplace le dioxygène nécessaire à une respiration normale. La respiration d'hélium pur provoque l'asphyxie en quelques minutes. L'inhalation de l'hélium directement à partir de cylindres sous pression est extrêmement dangereuse, en raison du fort débit, qui peut produire un barotraumatisme qui déchire le tissu pulmonaire et peut être fatal. Cependant cet accident est assez rare, puisqu'on ne compte que deux décès entre 2000 et 2004 aux États-Unis.

À haute pression (plus de 20 atm ou 2 Mpa), un mélange d'hélium et de dioxygène (héliox) peut conduire à un syndrome nerveux des hautes pressions, une espèce d'effet contre-anesthésique. En ajoutant un peu de diazote au mélange, on peut éviter le problème. Néanmoins en plongée subaquatique, le syndrome nerveux des hautes pressions ne peut être contrecarré que par l'adjonction au mélange d'hydrogène. L'ajout de diazote étant - hautement - narcotique dès lors que la pression absolue atteint 5 bars.

Utilisation thérapeutique

L'hélium est administré dans des mélanges contenant un minimum de 20 % de dioxygène, à des patients aux prises avec une obstruction des voies respiratoires supérieures ou inférieures. La faible viscosité de l'hélium permet ainsi de diminuer le travail de respiration.

Sécurité

En ce qui concerne l'hélium cryogénique, les mesures de sécurité sont semblables à celles nécessaires pour l'azote liquide ; sa température extrêmement basse peut causer des brûlures par le froid.

Une inhalation d'une grande quantité en une seule prise, produit une légère asphyxie, conduisant à une courte mais dangereuse perte de conscience. On dénombre également certains cas d'embolies cérébrales ou de sérieux problèmes pulmonaires chez les personnes ayant inhalé de l'hélium sous pression.

Par ailleurs, le taux de dilatation entre la phase liquide et la phase gazeuse est tel qu'il peut provoquer des explosions en cas de vaporisation rapide, si aucun dispositif de limitation de pression n'est installé.

Les réservoirs d'hélium gazeux à 5–10 K doivent aussi être manipulés comme s'ils contenaient de l'hélium liquide, en raison de la dilatation thermique importante et rapide qui a lieu quand de l'hélium à moins de 10 K est amené à la température ordinaire.

Usages

Malgré son prix élevé, l'hélium est utilisé pour de nombreux usages exigeant certaines de ses propriétés uniques, telles son point d'ébullition bas, sa faible densité, sa faible solubilité, sa haute conductivité thermique ou son caractère chimiquement et biologiquement inerte. On le trouve dans le commerce sous forme liquide ou gazeuse. Sous forme liquide, on peut trouver des petits réservoirs appelés dewars, qui peuvent contenir jusqu'à 1 000 l d'hélium, ou dans des grands réservoirs ISO de capacités nominales jusqu'à 40 000 l. Sous forme gazeuse, de petites quantités d'hélium sont fournies dans des cylindres à haute pression contenant jusqu'à 8,5 m standards, tandis que les grandes quantités sont livrées en camions-citernes sous pression qui peuvent avoir des capacités jusqu'à 5 000 m standards.

Industriels

En raison de son caractère inerte, sa grande conductivité thermique, sa transparence aux neutrons et parce qu'il ne forme pas d'isotope radioactifs au sein des réacteurs, on utilise l'hélium comme fluide de transfert de chaleur dans certains réacteurs nucléaires refroidis au gaz.

L'hélium est utilisé comme atmosphère protectrice lors de la croissance du silicium monocristallin destiné à la fabrication de circuits intégrés et des fibres optiques, pour la production de titane et de zirconium, et en chromatographie en phase gazeuse, parce qu'il est inerte. Vu son inertie chimique, ses propriétés thermodynamiques et calorifiques idéales, sa vitesse du son élevée et un grand coefficient de Laplace, il est également utile dans les souffleries supersoniques ou pour les installations d'étude de phénomènes transitoires.

L'hélium en mélange avec un gaz plus lourd, comme le xénon, est utile pour la réfrigération thermoacoustique, en raison du grand rapport des capacités thermiques et du faible nombre de Prandtl. L'inertie chimique de l'hélium a des avantages environnementaux sur d'autres systèmes de réfrigération, qui contribuent au trou d'ozone ou au réchauffement climatique.

Comme il diffuse à travers les solides trois fois plus vite que l'air, l'hélium est utilisé pour détecter les fuites dans les équipements à ultravide ou les réservoirs à haute pression.

Il est également utilisé avec des produits alimentaires (additif alimentaire autorisé par l'Union européenne sous la référence E939) pour permettre une vérification de l'étanchéité de l'emballage (voir liste des additifs alimentaires).

Scientifiques

L'hélium liquide est utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs des appareils à IRM modernes

L'utilisation de l'hélium réduit les effets de distorsion dus aux variations de température dans l'espace séparant les lentilles de certains télescopes ou lunettes, en raison de son indice de réfraction exceptionnellement bas. Cette méthode est spécialement utilisée pour les télescopes solaires, soumis à des variations importantes de température, mais pour lesquels une enceinte supportant la différence de pression entre l'atmosphère et le vide serait trop lourde.

L'âge des roches et minéraux qui contiennent de l'uranium et du thorium peut être estimé en mesurant leur contenu en hélium par un procédé appelé datation à l'hélium.

L'hélium liquide est aussi utilisé pour refroidir certains métaux aux températures extrêmement basses nécessitées pour la supraconductivité, par exemple pour les aimants supraconducteurs utilisés notamment pour les détecteurs à IRM. Le LHC au CERN utilise 96 t d'hélium liquide pour maintenir la température des aimants à 1,9 K. De façon plus générale, l'hélium à basse température est utilisé en cryogénie.

Commerciaux et de loisir

En raison de sa faible solubilité dans le tissu nerveux, on utilise des mélanges d'hélium tels que le trimix, l'héliox et l'héliair pour la plongée profonde, afin de réduire les effets de la narcose à l'azote. Aux profondeurs supérieures à 150 m, de petites quantités d'hydrogène sont ajoutées au mélange hélium-dioxygène pour contrebalancer le syndrome nerveux des hautes pressions.

À ces profondeurs, la faible densité de l'hélium diminue considérablement l'effort respiratoire.

Les lasers He-Ne ont diverses applications, en particulier les lecteurs de code-barres.

Dirigeables, ballons et fusées

En raison de sa faible densité et de son incombustibilité, l'hélium est le gaz préféré pour gonfler des dirigeables tels que ce dirigeable publicitaire.

Comme l'hélium est plus léger que l'air, il peut être utilisé pour gonfler des dirigeables et des ballons libres ou captifs. Bien que l'hydrogène ait une force portante approximativement 7 % supérieure, l'hélium a l'avantage d'être incombustible (et même ignifuge).

L'exploration de l'atmosphère, notamment pour la météorologie s'effectue avec des ballons-sondes la plupart du temps gonflés à l'hélium.

En technique des fusées, l'hélium est utilisé comme milieu de déplacement pour gérer par pressurisation le combustible et le comburant dans les réservoirs en microgravité et pour assurer le mélange d'hydrogène et de dioxygène qui alimente les tuyères de propulsion. Il est aussi utilisé pour la purge de ces substances dans l'équipement au sol avant le lancement, et pour pré-refroidir l'hydrogène liquide des véhicules spatiaux. Par exemple, la fusée Saturn V consommait environ 370 000 m d'hélium pour décoller.

Ressources et purification de l'hélium

Abondance naturelle

L'hélium est le deuxième élément le plus abondant dans l'Univers connu après l'hydrogène et en constitue 23 % de la masse baryonique. La grande majorité de l'hélium a été formé par la nucléosynthèse primordiale, dans les minutes suivant le Big Bang. C'est pourquoi la mesure de son abondance contribue à fixer certains paramètres des modèles cosmologiques. Dans la majeure partie de l'existence des étoiles, il est formé par la fusion nucléaire de l'hydrogène. En fin de vie, les étoiles utilisent l'hélium comme matière première pour la création d'éléments plus lourds, par des processus bien plus rapides, voire explosifs. Au bout du compte, l'hélium de l'Univers ne provient qu'en très faible partie des étoiles.

Dans l'atmosphère terrestre, la concentration de l'hélium est 5,2×10 en volume. Cette basse concentration est assez constante dans le temps, en raison d'un équilibre entre la production continue d'hélium dans les roches et la fuite vers l'espace par divers mécanismes. Dans l'hétérosphère terrestre, une partie de la haute atmosphère, l'hélium et autres gaz légers sont les constituants les plus abondants.

Presque tout l'hélium sur Terre provient de la radioactivité α. On le trouve principalement dans les composés d'uranium et de thorium, notamment la pechblende, la carnotite et la monazite, parce qu'ils émettent des particules α, qui sont des noyaux d'hélium ionisé He, qui se neutralisent immédiatement avec des électrons. On estime à 3 000 t l'hélium ainsi produit chaque année dans la lithosphère. Dans la croûte terrestre, la concentration de l'hélium est 8×10 en volume. Dans l'eau de mer, elle n'est que de 4×10. Il y en a aussi de petites quantités dans les eaux minérales, les gaz volcaniques et le fer météorique. Comme l'hélium est piégé comme le gaz naturel par les couches de roches imperméables, on trouve les plus hautes concentrations d'hélium dans les gisements de gaz naturel, d'où l'on extrait la plupart de l'hélium commercial. Sa concentration en volume par rapport au gaz naturel varie de quelques parties par million à une concentration de 7 % identifiée dans le comté de San Juan, Nouveau-Mexique.

Extraction et purification

Pour l'utilisation à grande échelle, l'hélium est extrait par distillation fractionnée du gaz naturel, qui peut en contenir jusqu'à 7 %. Comme l'hélium a un point d'ébullition inférieur à tout autre corps, on utilise une basse température et une haute pression pour liquéfier presque tous les autres gaz (principalement le diazote et le méthane). L'hélium brut qui en résulte est alors purifié par exposition à des températures de plus en plus basses, ce qui fait précipiter pratiquement tout le diazote et autres gaz restants du mélange gazeux. On utilise enfin du charbon actif pour une étape finale de purification, pour obtenir ainsi de l'hélium d'une qualité de 99,995 %. La principale impureté de l'hélium de qualité A est le néon. Pour terminer la purification, la plupart de l'hélium produit est liquéfié, par un processus cryogénique. La liquéfaction est nécessaire pour les applications utilisant l'hélium liquide et permet d'ailleurs aux fournisseurs d'hélium de réduire le coût du transport à distance, car les plus grands réservoirs à hélium liquide ont une capacité au moins cinq fois plus grande que les remorques portant des cylindres d'hélium gazeux sous pression.

En 2005, environ 160 millions de mètres cubes d'hélium ont été extraits du gaz naturel, ou puisés dans les réserves, avec environ 83 % des États-Unis, 11 % d'Algérie et le reste principalement de Russie et de Pologne. Aux États-Unis, la plupart de l'hélium est extrait du gaz naturel de Hugoton et des gisements voisins du Kansas, de l'Oklahoma et du Texas.

Une autre méthode de production et de purification de l'hélium est la diffusion du gaz naturel brut à travers des membranes semi-perméables ou d'autres barrières.

Il est possible de faire la synthèse de l'hélium en bombardant du lithium ou du bore avec des protons de haute énergie, mais cela ne constitue pas une méthode économiquement viable de production.

Histoire

Découverte

La première indication de l'hélium est observée le 18 août 1868, comme une raie jaune brillante à une longueur d'onde de 587,49 nm dans le spectre de la chromosphère du Soleil. Cette raie est détectée par l'astronome français Jules Janssen pendant une éclipse totale à Guntur (Inde). Au début, on pense que cette raie est celle du sodium. Le 20 octobre de la même année, l'astronome anglais Norman Lockyer observe une raie jaune dans le spectre solaire, qu'il appelle raie de Fraunhofer D3, en raison de sa proximité avec les raies bien connues D1 et D2 du sodium. Il en conclut qu'elle est provoquée par un élément du Soleil inconnu sur Terre. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland nomment cet élément d'après le mot grec pour Soleil, ἥλιος (hélios).

En 1882, Luigi Palmieri réussit pour la première fois à démontrer la présence d'hélium sur la Terre, par l'analyse spectrale de la lave du Vésuve.

Raies spectrales de l'hélium

Le 26 mars 1895, le chimiste britannique Sir William Ramsay isole l'hélium sur Terre en traitant la clévéite (une variété de pechblende, contenant au moins 10 % de terres rares) avec des acides minéraux. Ramsay cherchait de l'argon, mais, après avoir séparé le diazote et le dioxygène du gaz libéré par l'acide sulfurique, il remarque au spectroscope une raie jaune brillante qui coïncide avec la raie D3 observée dans le spectre solaire.

Ces échantillons sont identifiés comme étant de l'hélium par Lockyer et le physicien britannique William Crookes. Indépendamment, il est isolé de la clévéite la même année par les chimistes Per Theodor Cleve et Abraham Langlet (en) à Uppsala, qui accumulent suffisamment de gaz pour pouvoir déterminer avec précision sa masse atomique.

L'hélium avait aussi été isolé par le géochimiste américain William Francis Hillebrand, quelques années avant la découverte par Ramsay, en remarquant des raies spectrales inhabituelles à l'examen d'un échantillon d'uraninite. Mais Hillebrand attribue ces raies au diazote. Sa lettre de félicitations à Ramsay présente un cas intéressant de découverte et de presque-découverte en science.

En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds démontrent que les particules α sont des noyaux d'hélium, en permettant aux particules de pénétrer à travers une fine fenêtre en verre d'un tube où ils ont fait le vide, puis créant une décharge dans le tube pour étudier le spectre du nouveau gaz qui s'y trouve. En 1908, l'hélium est liquéfié pour la première fois par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes, en refroidissant le gaz au-dessous de 1 K. Il essaie de le solidifier en baissant encore la température, mais échoue, puisque l'hélium n'a pas de point triple. C'est un étudiant d'Onnes, Willem Hendrik Keesom, qui arrive à solidifier sous pression 1 cm d'hélium en 1926.

En 1938, le physicien soviétique Pyotr Leonidovitch Kapitsa découvre que l'hélium 4 n'a presque pas de viscosité aux températures proches du zéro absolu, phénomène maintenant nommé superfluidité. En 1972, le même phénomène est observé dans l'hélium 3, mais à une température bien plus proche du zéro absolu, par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee, et Robert C. Richardson. Le phénomène dans l'hélium 3 est interprété comme la formation de paires d'atomes, qui sont des fermions, pour former des bosons, par analogie avec les paires de Cooper d'électrons à la base de la supraconductivité.

Production et usages

Après un forage pétrolier en 1903 à Dexter, Kansas, le jet de gaz produit était incombustible. Erasmus Haworth (en), le géologue de l'État du Kansas, collecta des échantillons du gaz produit et les rapporta à l'université du Kansas, Lawrence. Avec l'aide des chimistes Hamilton Cady (en) et David McFarland, il détermina que le gaz était, en volume, 72 % de diazote, 15 % de méthane (un pourcentage combustible seulement avec plus de dioxygène) et 12 % de gaz non identifiable. Une analyse plus poussée montre à Cady et McFarland que 1,84 % de l'échantillon de gaz est de l'hélium . Ceci montre qu'en dépit de sa rareté globale sur Terre, l'hélium est concentré en grandes quantités sous les Grandes Plaines américaines et est disponible pour la production comme sous-produit de l'exploitation du gaz naturel. Les plus grandes réserves d'hélium sont dans le gisement d'Hugoton et dans les gisements voisins du Kansas du sud-ouest avec des prolongements au Texas et en Oklahoma.

Ceci a permis aux États-Unis de devenir le premier producteur d'hélium du monde. Suivant la suggestion de Sir Richard Threlfall (en), la marine des États-Unis subventionne trois petites usines expérimentales de production d'hélium pendant la Première Guerre mondiale. Le but est d'approvisionner les ballons captifs de barrage avec ce gaz ininflammable et plus léger que l'air. Un total de 5 700 m d'hélium à 92 % est produit par ce programme, malgré le fait que précédemment, moins de 100 l ait été produit au total. Une partie de ce gaz est utilisé pour le premier dirigeable gonflé à l'hélium dans le monde, le C-7 de la marine américaine, inauguré pour son premier voyage de Hampton Roads en Virginie au terrain de Bolling à Washington le 1 décembre 1921.

Bien que le procédé d'extraction par liquéfaction du gaz à basse température ne soit pas mis au point assez tôt pour jouer un rôle significatif pendant la Première Guerre mondiale, la production se poursuivra. L'hélium est utilisé en premier lieu pour gonfler les aérostats. Cet usage va accroître la demande pendant la Seconde Guerre mondiale, de même que la demande pour la soudure à l'arc.

Le spectromètre de masse à hélium est également vital pour le projet Manhattan de bombe atomique.

Le gouvernement des États-Unis crée en 1925 une Réserve Nationale d'Hélium à Amarillo, Texas, dans le but d'approvisionner les aérostats, militaires en temps de guerre, et civils en temps de paix. En raison de l'embargo militaire des États-Unis contre l'Allemagne, la fourniture d'hélium y a été restreinte et le Hindenburg a dû être gonflé à l'hydrogène, avec les conséquences catastrophiques qui s'ensuivirent lors de son incendie. La consommation d'hélium après la Seconde Guerre mondiale diminue, mais la réserve est augmentée dans les années 1950 pour assurer la fourniture d'hélium liquide pour le lancement des fusées pendant la course à l'espace et la guerre froide. En 1965, la consommation d'hélium des États-Unis dépasse huit fois le maximum qu'elle a atteint pendant le temps de guerre.

Après les Amendements sur les lois de l'hélium de 1960 (loi publique 86-777), le Bureau des mines des États-Unis met en place cinq usines privées pour l'extraction de l'hélium du gaz naturel. Pour ce programme de préservation de l'hélium, le Bureau construit un gazoduc de 684 km de Bushton, Kansas, à Cliffside, près d'Amarillo, gisement partiellement épuisé. Le mélange hélium-diazote ainsi apporté est injecté et stocké jusqu'au moment des besoins, quand il est extrait et purifié.

En 1995, un milliard de mètres cubes de gaz ont été réunis mais la réserve a 1,4 milliard de dollars US de dettes, ce qui conduit le Congrès des États-Unis, en 1996, à faire cesser progressivement son activité. La Loi de privatisation de l'hélium de 1996 qui s'ensuit (Loi publique 104–273) enjoint le Département de l'Intérieur des États-Unis de commencer à vider la réserve en 2005.

L'hélium produit entre 1930 et 1945 était pur à environ 98,3 % (~ 2 % de diazote), ce qui convenait parfaitement pour les aérostats. En 1945, une petite quantité d'hélium à 99,9 % était produite pour l'utilisation pour la soudure à l'arc. Dès 1949, des quantités commerciales d'hélium de qualité A à 99,995 % étaient disponibles.

Pendant plusieurs années, les États-Unis produisent plus de 90 % de l'hélium commercialement disponible dans le monde, les usines d'extraction du Canada, de Pologne, de Russie et d'autres nations produisant le reste. À ce rythme, selon une étude (août 2010), les réserves des États-Unis seront épuisées avant 2040 (près d'1/3 des besoins mondiaux sont fournis par les États-Unis dont la capacité de production globale est d'environ 142 millions de mètres cubes (en 2010) alors que la consommation s'est élevée à 180 millions de mètres cubes et que l'hélium semble « indispensable à la plupart de ses applications ». Au milieu des années 1990, une nouvelle usine commence à produire à Arzew, en Algérie. Avec 1,7×10 m par an, elle peut couvrir toute la demande européenne, soit environ 16 % de la production mondiale. Pendant ce temps-là, la consommation aux États-Unis a dépassé 15 000 t en 2000. En 2004–2006, deux usines additionnelles sont construites, une à Ras Laffan (Qatar) produisant 9,2 tonnes d'hélium liquide par jour, soit 1,88×10 m par an, et l'autre à Skikda (Algérie). L'Algérie est rapidement devenue le deuxième producteur d'hélium. Au cours de cette période, la consommation d'hélium et les coûts de production ont augmenté. Entre 2002 et 2007, les prix de l'hélium ont doublé et pendant la seule année 2008, les principaux fournisseurs ont augmenté leurs prix d'environ 50 %. Ceci est lié aux très faibles production et consommation d'hélium, rendant leur adéquation difficile, peu de producteurs souhaitant investir dans ce « marché de niche ». Robert Richardson (Prix Nobel de physique) a en 2010 alerté la communauté internationale sur le risque de pénurie, plaidant pour une augmentation des prix, afin de refléter la rareté de cet élément et moins le gaspiller.

氦（Helium，旧译作氜）是一种化学元素，其化学符号是He，原子序数是2，是一种无色的惰性气体，放电时发深黄色的光。在常温下，氦是一种极轻的无色、无臭、无味的单原子气体。氦在空气中含量较少，但在宇宙中是第二丰富的元素，在银河系占24％。

发现

首个证明氦存在的证据是太阳色球的发射光谱中的一条亮黄色谱线。1868年8月18日，法国天文学家皮埃尔·让森在印度的贡土尔观测日全食时，发现了这条波长为587.49 nm的谱线。起初人们推测这条谱线来自钠。同年10月20日，英国天文学家约瑟夫·诺曼·洛克耶在太阳光谱中发现了一条黄线。由于这条谱线的波长和夫朗和斐谱线中钠产生的D1线和D2的波长相似，洛克耶将其命名为D3线。他还提出这条谱线来自太阳上的一种尚未在地球上发现的元素。洛克耶和英国化学家爱德华·弗兰克兰以希腊语中的ἥλιος（helios，意为“太阳”）一词，将这一元素命名为Helium. 氦的谱线 1882年，意大利物理学家路易吉·帕尔米耶里在分析维苏威火山的岩浆时发现了氦的D3线，这是氦在地球上的首次发现记录。 地层氦的发现者威廉·拉姆齐爵士 1895年3月26日，苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士将钇铀矿（一种沥青铀矿，其质量的10%为稀土元素）用酸处理，首次在地球上分离出氦。拉姆齐当时在寻找氩，他用硫酸处理矿物，分离释放出的气体中的氮和氧。在剩下的气体中，他发现了一条和太阳光谱中的D3线吻合的黄色谱线。洛克耶和英国物理学家威廉·克鲁克斯鉴定了这一气体样品，证明了它是氦气。同一年，两位化学家皮·特奥多尔·克利夫和尼尔斯·朗勒特在瑞典乌普萨拉独立从钇铀矿中分离出氦；他们收集的氦足以测定这一元素的原子量。在拉姆齐分离氦之前，美国地质化学家威廉·弗朗西斯·希尔布兰德同样注意到一份沥青铀矿样品中的一条不寻常的谱线，并从中分离出氦；但他认为这些谱线来自氮气。他致拉姆齐的贺信是科学史上“发现”和“邻近发现”的一个有趣例子。 1907年，欧内斯特·卢瑟福与托马斯·罗伊兹让α粒子穿透玻璃壁进入真空管，向管中放电后观察管内气体的发射光谱，证明α粒子就是氦核。1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯将氦冷却至不到1K的低温，从而首次制得液态氦。他还试着将氦固化，但是氦没有固、液、气三相平衡的三相点，因此他的尝试没有成功。1926年，昂内斯的学生威廉·亨德里克·科索姆在低温下向氦加压，制得了1 cm的固态氦。 处于超流相的液氦，会在杯身内面向上缓慢攀爬，攀越过杯口，然后在杯身外面向下缓慢滑落，集结在一起，形成一滴液氦珠，最后滴落在下面的液氦里。这样，液氦会一滴一滴的滴落，直到杯子完全流空为止。 1938年，苏联物理学家彼得·列昂尼**奇·卡皮察发现氦-4在接近绝对零度时几乎没有粘度，从而发现了今天所说的超流体。这一现象和玻色-爱因斯坦凝聚有关。1972年，美国物理学家道格拉斯·奥谢罗夫、戴维·李、以及罗伯特·科尔曼·理查森发现氦-3也有超流体现象，但所需的温度比氦-4低得多。氦-3的超流体现象被认为和氦-3费米子配对形成玻色子有关，这种配对和超导体中电子形成的库珀对类似。

名称由来

在皮埃尔·让森从太阳光谱中发现氦时，英国人洛克耶（J. N. Lockyer）和弗兰克兰（E. F. Frankland）认为这种物质在地球上还没有发现，因此定名为“氦”（法文为hélium，英文为helium），源自希腊语ήλιος，意为“太阳”。 在中文里，晚清时由传教士创办的益智书会译作“氜”（读作“日”），以表示从太阳光中发现的气态元素。在1915年，由民国教育部颁布的《无机化学命名草案》则采用发音与英文更为一 致的“氦”，并沿用至今。

分布

氦存在于整个宇宙中，按质量计占23%。但在自然界中主要存在于天然气或放射性矿石中。在地球大气层中，氦的浓度十分低，只有5.2万分之一。在地球上的放射性矿物中所含的氦是α衰变的产物。氦在某些天然气中含有在经济上值得提取的量，最高可以含有7%，在美国的天然气中氦大约有1%。在地表的空气中每立方米含有4.6立方厘米的氦，大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的7.2分之一，是除了氢以外密度最小的气体。

性质

氦气是所有气体中最难液化的，沸点仅为4.22K，这源于氦极低的极性。同时，氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质，也没有三相点。基于类似的原因，氦在水中的溶解度也极小，20°C时每升水中仅能溶解8.61毫升。 液氦在温度降至2.178K时，性质会发生突变，粘度极小，能形成只有几个原子厚度的薄膜，发生无粘度流动，成为一种超流体，称为氦(II)，正常的液氦称作氦(I)。这种氦(II)的表面张力很小，能沿容器壁向上流动，直到两边液面等高。此时的氦热传导性为铜的800倍，成为导热性能极佳的热导体。其比热容、压缩性等都是反常的。液氦的另一重要性质是能穿透许多常见材料，如PVC、橡胶与大部分玻璃，所以玻璃杜瓦瓶无法用于液氦的操作。 氦的化学性质非常不活泼，一般状态下不会和其他物质发生反应，目前检测到的氦化合物仅痕量发现于质谱中，且不稳定。

制备

天然气分离法：工业上，主要以含有氦的天然气为原料，反复进行液化分馏，然后利用活性炭进行吸附提纯，得到纯氦。

合成氨法：在合成氨中，从尾气经分离提纯可得氦。

空气分馏法：从液态空气中用分馏法从氖氦混合气中提出。

铀矿石法：将含氦的铀矿石经过焙烧，分离出气体，再经过化学方法，除去水蒸气、氢气和二氧化碳等杂质提纯出氦。

同位素

现时已知的氦同位素有八种，包括氦3、氦4、氦5、氦6、氦8等，但只有氦3和氦4是稳定的，其余的均带有放射性。在自然界中，氦同位素中以氦4占最多，多是从其他放射性物质的α衰变放出α粒子（氦4原子核）而来。氦3的含量在地球上极少，而在月球上储量巨大，它们均是由超重氢（氚）的β衰变所产生。

用途

充满氦气，形似氦化学符号（He）的充气放电管 由于氦很轻，而且不易燃，因此它可用于填充飞艇、气球、温度计、电子管、潜水服等。也可用于原子反应堆和加速器、激光器、冶炼和焊接时的保护气体，还可用来填充灯泡和霓虹灯管，也用来制造泡沫塑料。 由于氦在血液中的溶解度很低，因此可以加到氧气中防止减压病，作为潜水员的呼吸用气体，或用于治疗气喘和窒息。 液体氦的温度（-268.93 °C）接近绝对零度（-273℃），因此它在超导研究中用作超流体，制造超导材料。液态氦还常用做冷却剂和制冷剂。在医学中，用于氩氦刀以治疗癌症。 它还可以用作人造大气层和镭射媒体的组成部分。 氦气可以用于保存尸体，***水晶棺内的气体即为氦气。

其他

LCCN: sh85060043

GND: 4132459-6

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↑ 喝「笑气调酒」变唐老鸭声

↑ 日综玩出祸 12岁女星吸氦气昏迷不醒. 中时电子报. 2015-02-05.

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↑ 杨又颖轻生！吸氦气脑部伤救不回　后遗症更甚于笑气