Helium (af det græske ord for Solen; ἥλιος, helios) er det 2. grundstof i det periodiske system, og har det kemiske symbol He. Under normale tryk- og temperaturforhold optræder denne ædelgas som en farveløs, lugt- og smagsfri, enatomig, inaktiv og ugiftig gasart. Heliums koge- og smeltepunkter er de laveste blandt grundstofferne, og kun under ekstreme betingelser (højt tryk og lav temperatur) kan stoffet optræde som andet end en gas.
Helium blev opdaget d. 18. august 1868 af den franske astronom Pierre Janssen, som under en solformørkelse observerede en hidtil ukendt gul spektrallinje i lyset fra Solens kromosfære. I 1903 blev der fundet store reserver af helium i naturgasfelter i USA, som nu er langt den største leverandør af denne gas. Stoffet anvendes som kølemiddel til blandt andet superledende magneter, i åndedrætsudstyr til dykning, som opdriftsgas i balloner og luftskibe, og som beskyttelsesgas til mange industrielle formål (for eksempel lysbuesvejsning og fremstilling af siliciumskiver til halvlederindustrien).
En anden, mindre seriøs anvendelse er at indånde en lille dosis helium, hvorefter ens stemme for en kort stund lyder markant anderledes. Indånding af helium frarådes imidlertid på det stærkeste, fordi indånding af en gas uden, eller med lidt oxygen, vil gøre, at oxygenmætningen i blodet falder dramatisk, og man kan risikere besvimelse og hjertestop, med mulig fatalt resultat. ADVARSEL! Helium i "industriel" kvalitet, for eksempel fra heliumballoner, kan også indeholde andre gasser der er knap så harmløse som helium.
Helium er det næst-letteste grundstof, og det næst-hyppigste (efter brint) i det observerbare univers. Helium er et af nogle få grundstoffer man mener blev skabt "sammen med" Universet i det såkaldte Big Bang, men siden da er der også skabt "nyt" helium ved fusion af brint i det indre af stjerner (stjerne-nukleosyntese). På Jorden er helium relativt sjældent, men skabes løbende i naturen ved alfa-henfald af visse radioaktive grundstoffer; alfapartikler er blot et andet "navn" for helium-atomkerner. Denne naturlige helium "fanges" i de samme hulrum hvor man finder naturgas, somme tider i koncentrationer op til syv procent, målt på rumfang. Herfra udvindes det ved fraktionsdestillation ved lave temperaturer.
Universets første molekyle, heliumhydrid HeH, er konstateret i en stjernetåge.Astronomers have spotted the universe’s first molecule. Science 2019
Bemærkelsesværdige kendetegn Gas- og plasmaformer Under så godt som alle forhold er helium det mindst kemisk reaktive af samtlige stoffer. De meget lette heliumatomer giver stoffet større varmeledningsevne, varmefylde og lydhastighed end alle andre grundstoffer, med undtagelse af brint. Af samme grund er heliums evne til at diffundere igennem faste stoffer tre gange større end for atmosfærisk luft, og omkring 65 procent af brints diffusionsevne.The Encyclopedia of the Chemical Elements, edited by Cifford A. Hampel, "Helium" entry by L. W. Brandt (New York; Reinhold Book Corporation; 1968; page 261) Library of Congress Catalog Card Number: 68-29938
Helium er mindre opløseligt i vand end alle andre kendte gasser og har det laveste brydningsindeks (tæt på 1) af alle gasser. Ved normale "stuetemperaturer" har helium en negativ Joule-Thomson-koefficient, hvilket vil sige at gassen bliver varmere når den "får lov" til at ekspandere uhindret. Først ved temperaurer under den såkaldte Joule-Thomson-inversionstemperatur (som for helium er mellem 32 og 50K ved 1 atmosfæres tryk) afkøles gassen ved uhindret ekspansion Når helium først er nedkølet til under denne grænse, kan det bringes på flydende form ved ekspansionskøling. thumb|left|Helium-udladningsrør formet som det kemiske symbol for helium
Overalt i Universet finder man hovedsageligt helium i form af plasma, som opfører sig ganske anderledes end atomar, gasformig helium: I plasmatilstanden er elektroner og atomkerner ikke længere bundet til hinanden, hvilket gør plasmaet stærkt elektrisk ledende, også når stoffet kun er delvis ioniseret. Plasmaets elektrisk ladede bestanddele påvirkes modsat almindelig heliumgas af magnetiske og elektriske felter: Solvinden, som består af brint- og helium-plasma, vekselvirker med Jordens magnetosfære og skaber derved Birkeland-strømme og polarlys.
Fast og flydende helium
Helium kan kun bringes på fast form under stort tryk (26 atmosfære) og temperaturer nær det absolutte nulpunkt: I denne tilstand optræder helium som en farveløs, næsten usynlig substans, som kan komprimeres: I laboratorier er det lykkedes at "mase" denne "frosne" helium sammen til 30% under prøvens oprindelige rumfang. Med et kompressibilitetsmodul af størrelsesordenen 5·107 Pa overgår det vands kompressibilitet 50 gange.
Helium er det eneste grundstof der ikke kan bringes på fast stof ved normalt tryk; selv ved det absolutte nulpunkt forbliver helium flydende ved normalt atmosfærisk tryk. Dette er en direkte konsekvens af kvantemekanikken; heliumatomets nulpunktsenergi er for høj til at "fryse"; ved 1K kræves et tryk på omkring 25 atmosfære (2,5 MPa). Ofte er det svært at få øje på eventuel helium-"is" hvis det udfældes af flydende helium, fordi flydende og fast helium har næsten samme brydningsindeks. Det faste helium har et veldefineret smeltepunkt, og en krystallinsk struktur. thumb|Helium laser Fast helium har en massefylde på 0,214 ±0,006 g/ml (1,15 K, 66 atm), og en isotermisk kompressibilitet (ved 66 atmosfæres tryk og 1,5 K temperaturforskel mellem det frosne helium og den omgivende luft) på 0.0031 ±0.0008/atm. Dertil har man opdaget at der ikke er forskel i massefylden ved henholdsvis 1,8 K og 1,5 K; det tyder på at fast helium ved det absolutte nulpunkt og 25 atmosfæres tryk (det laveste tryk fast helium kan eksistere ved) må have en massefylde på 0,187 ±0,009 g/ml.
Helium I Ved temperaturer under kogepunktet på 4,22 K, og over det såkaldte lambdapunkt ved 2,1768K optræder isotopen helium-4 som en almindelig, farveløs væske, der kaldes helium-I.: Som andre kryogene væsker begynder helium-I at koge når det varmes op. Og det trækker sig sammen når temperaturen sænkes – indtil føromtalte lambdapunkt nås: Her holder væsken op med at koge, og begynder i stedet pludselig at udvide sig. Udvidelses-takten falder gradvist med temperaturen, og ved cirka 1 K begynder væsken atter at trække sig sammen.
Det flydende helium I har et meget lavt brydningsindeks på 1,026; det er ellers kun gasarter der har så lave brydningsindicer. Modsat hvad man kender fra vand og andre mere "dagligdags" væsker "brydes" lyset næsten ikke i flydende helium I, så denne væske er næsten helt usynlig! Af den grund bruger man ofte at lade små stykker flamingo-plast flyde rundt på heliummet som en synlig markering af væskeoverfladen.The Encyclopedia of the Chemical Elements, page 262 Helium-I har en meget lav viskositet, og en massefylde på blot en ottendedel af vands; fire gange mindre end hvad man skulle forvente ifølge den klassiske fysik. Først med Kvantemekanikken kunne man forklare denne egenskab, og af den grund omtales både helium-I og -II (se nedenfor) som kvantevæsker: Sådanne væsker udviser atomare egenskaber på en makroskopisk skala. formentlig fordi stoffets lave kogepunkt forhindre tilfældige termodynamiske bevægelser (varme) i at maskere eller "overdøve" de atomare egenskaber.
Helium II Ved temperaturer under lambdapunktet antager flydende helium en tilstand, kaldet helium-II, hvor stoffet udviser nogle ganske usædvanlige egenskaber. På grund af stoffets høje varmeledningsevne koger det ikke på normal vis når det varmes op; væsken fordamper bare direkte fra overfladen, uden de bobler og bevægelser man normalt ser i kogende væsker. Isotopen helium-3 kan desuden antage en superflydende tilstand, men kun ved meget lave temperaturer; af den grund ved man ikke meget om disse egenskaber for helium-3-isotopens vedkommende. thumb|right|200px|Helium II "kryber" op og ned ad lodrette beholdervægge for at udligne niveauforskelle i væsken; efter nogen tid står væsken lige højt i den lille "skål" i midten og i beholderen der omgiver den. Denne såkaldte Rollin-film dækker også indersiden af den ydre beholder; hvis beholderen ikke var tæt, ville helium II "kravle ud" gennem utætheden.
Helium II er superflydende; en særlig kvantemekanisk tilstand som stoffet kan indtage, hvorunder det udviser sære egenskaber: For eksempel kan det "sive" igennem sprækker helt ned mellem 0,1 og 0,01 mikrometer helt uden målelig viskositet ("modstand"). Til gengæld, da man målte viskositeten for helium II mellem to roterende skiver, registreredes en viskositet svarende til gasformig helium. De aktuelle teorier forsøger at forklare dette med den såkaldte to-væske-model for helium II, hvor en del af væsken befinder sig under lambdapunktet i en grundtilstand, og udviser helt præcist nul viskositet, mens resten af væsken ligger over lambdapunktet i en exciteret tilstand, og udviser mere "normale" væske-egenskaber.
Helium II har en særlig evne til at "krybe" langs overflader; hvis helium II-væsken møder en overflade der strækker sig længere end væsken, dannes en 30 nanometer tyk "film" af væske (uanset hvilket materiale overfladen er lavet af), som bevæger sig langs overfladen. Denne væskefilm kan endda "kravle op" ad lodrette flader, og hvis den finder en åbning i beholderen, forlader væsken beholderen ad den vej. Denne væskefilm kaldes for Rollin-film, opkaldt efter Bernard V. Rollin, som var den første der beskrev denne sære egenskab.The Encyclopedia of the Chemical Elements, page 263 Helium II's evne til at "krybe" og trænge igennem ganske smalle sprækker gør det svært at "holde" på stoffet; det stiller særlige krav til de anvendte beholdere hvis ikke heliummet skal sive ud og fordampe.
Ligesom man kan lave bølger i overfladen af vand der står i et tyndt lag i et flad fad eller lignende, kan man lave overfladebølger i den Rollin-film som helium II danner, men hvor bølgerne i vand-"filmen" styres af tyngdekraften, er det Van der Waals-kræfter der står bag tilsvarende bølger i en Rollin-film af helium II. Disse bølger omtales som den tredje lyd.
Et andet specielt fænomen ved det superflydende helium II er den såkaldte fontæne-effekt, hvor en beholder står i forbindelse med et reservoir af helium II gennem en porøs barriere: Det superflydende helium II trænger let gennem barrierens porer, mens ikke-superflydende helium holdes tilbage. Hvis beholderens indre varmes op, skifter det superflydende helium tilstand og mister dets superflydende egenskab. Men da der stadig trænger superflydende helium ind, stiger trykket og presser helium-væsken ud af beholderen i en fontæne.
Helium II overgår alle andre kendte stoffer i varmeledning; det er en million gange bedre varmeleder end helium I, og flere hundrede gange bedre end kobber. Det skyldes at heliummet leder varme ved en særlig kvantemekanisk proces: Hvor de fleste gode varmeledere normalt har et valensbånd af frie elektroner der står for varmetransporten, har helium slet ikke sådan et valensbånd. Her sker varmeoverførslen i stedet på en måde der minder om lydbølger i luft; når man tilfører varme til helium II, udbreder temperaturstigningen (ved 1,8 K) sig med 20 meter i sekundet, i et bølgefænomen der kaldes for den anden lyd.
Tekniske anvendelser thumb|right|Helium er den foretrukne gasart til luftskibe som dette fra virksomheden Goodyear, frem for især brint, på grund af gassens lave massefylde og manglende evne til at brænde. Helium bruges til en lang række formål. Flydende helium leveres kommercielt i særlige varmeisolerende "termokander" kaldet dewar-kar der rummer op til 1000 liter, eller i store ISO-beholdere med nominelle kapaciteter op til 11.000 US gallons. Mindre mængder gasformig helium fås i cylindriske trykbeholdere med indtil 300 standard-kubikfod, eller fra tankvogne der kan rumme op til 180.000 standard-kubikfod.
Helium som bæregas