thumb|200px|Liniile Spectrale de Heliu Heliul este elementul chimic cu număr atomic 2 și este reprezentat prin simbolul He. Este un gaz monoatomic inert, incolor, inodor, insipid, ce este primul în grupa sa în tabelul periodic al elementelor. Are cel mai scăzut punct de fierbere și cel mai scăzut punct de topire dintre elementele chimice și se prezintă doar în stare gazoasă, în afara unor condiții extreme.
O linie spectrală neobișnuită a fost observată în lumina solară prima oară într-o eclipsă solară din anul 1868 de către astronomul francez Pierre Janssen. miniatura|Laser cu heliu Janssen este recunoscut pentru descoperirea elementului împreună cu Norman Lockyer, care a observat aceeași eclipsă și a fost primul care a spus că linia era din cauza unui nou element, necunoscut până atunci, pe care el l-a numit Heliu. În 1903, mari rezerve de heliu au fost găsite în rezervele de gaz natural din Statele Unite ale Americii, care este de departe cel mai mare furnizor de gaze.
Heliul este utilizat în criogenie, în dispozitive de respirat sub apă, pentru răcirea magneților, în datarea cu heliu, pentru baloanele și dirijabilele cu heliu, pentru a înălța aeroplanele și nave spațiale și ca un gaz protector în multe întrebuințări industriale (ca sudarea cu arc electric).
Inhalând un volum mic de heliu, timbrul vocal uman se subțiază. Comportamentul Heliului-4 lichid este important pentru oamenii de știință care studiază mecanica cuantică (în particular fenomenul de superfluiditate) și pentru cei care studiază efectele pe care le are materia aproape de punctul zero absolut (precum superconductibilitatea).
Heliul este al doilea element ușor și al doilea cel mai abundent element chimic în universul observabil, fiind prezent în univers în cantități de 12 ori mai mari decât ale celorlalte elemente mai grele ca heliul combinate. Abundența heliului este, de asemenea, similară cu cea de pe Soare și Jupiter. Această mare abundență se datorează foarte înaltei energii de legătură pe care o are heliul-4 (per nucleon) în comparație cu cele trei elemente ce urmează heliului (litiu, beriliu și bor). Această energie de legătură explică frecvența existenței sale ca produs atât în fuziunea nucleară, cât și în dezintegrarea radioactivă. Heliul în univers este în majoritate heliu-4 și s-a format în timpul originarului Big Bang. Cantități de heliu sunt create actualmente ca rezultat al fuziunii nucleare a hidrogenului, în toate stelele, în afară de cele foarte grele, unde heliul fuzionează în elemente mai grele spre sfârșitul vieții lor.(vezi versiunea recentă în lb.eng.)
Pe pământ, greutatea redusă a heliului a cauzat evaporarea din norul de gaze și praf din care planeta s-a condensat, și, de aceea, este relativ rar. Heliul prezent astăzi este în principal creat prin dezintegrarea radioactivă naturală a unor elemente radioactive grele (thoriul și uraniul), dat fiind că particulele alfa emise într-o astfel de dezintegrare constau în nuclee de heliu-4 . Acest heliu radiogen este cuprins în gaze naturale, în concentrații de până la 7 procente din volum, de unde se extrage industrial, printr-un proces de separare la temperaturi scăzute, denumit distilare fracțională.
In anul 2019 a fost descoperită prima moleculă formată în univers la cca 300.000 ani după Big Bang, hidrura de heliu (HeH+) (în engleză „helium hydride ion”). Este o combinație între un atom de heliu și un proton (fără electroni) de hidrogen. Descoperirea s-a făcut ajutorul observatorului astronomic SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, plasat în stratosferă, o cooperare germano-americană) în nebuloasa planetară NGC 7027.
Istoric right|200px|thumb|Liniile spectrale ale heliului|alt=Picture of visible spectrum with superimposed sharp yellow and blue and violet lines. Prezența heliului a fost observată pentru prima dată pe 18 august 1868 sub forma unei linii spectrale de un galben intens în cadrul cromosferei Soarelui, având o lungime de undă de 587.49 nanometri, fiind detectată de către astronomul francez Pierre Janssen în timpul unei eclipse totale de Soare în Guntur, India.; inițial, linia era considerată a fi provocată de existența sodiului.
Pe 20 octombrie 1868 astronomul englez Norman Lockyer a observat de asemenea o linie galbenă în spectrul solar, numind-o linia Fraunhofer D3, deoarece era destul de apropiată de liniile cunoscute D1 și D2 ale sodiului. A concluzionat ca era cauzată de un element existent în Soare și necunoscut pe Pământ. Lockyer și chimistul englez Edward Frankland au denumit elementul prin termenul grecesc pentru Soare, ἥλιος (helios)."Sir Norman Lockyer - discovery of the element that he named helium " Balloon Professional Magazine, 07 Aug 2009.
La data de 26 martie 1895 chimistul britanic Sir William Ramsay a izolat heliul prin tratarea unui mineral numit cleveit (o varietate a uraninitului ce conține cel puțin 10% pământuri rare) cu acizi minerali. Ramsay dorea să obțină argonul, însă după ce separase oxigenul și azotul din gazul eliberat de acidul sulfuric, a observat o fâșie intensă de culoare galbenă ce se potrivea cu linia spectrală D3 observată în spectrul solar. Aceste mostre au fost identificate ca fiind heliu de către Lockyer și fizicianul britanic William Crookes. A fost izolat independent din cleveit în același an de către chimiștii Per Teodor Cleve și Abraham Langlet în Uppsala, care au colectat destul gaz, suficient cât să poată determina cu acuratețe masa atomică a acestuia. Heliul a fost de asemenea izolat de către geochimistul american William Francis Hillebrand înaintea descoperirii lui Ramsay, când acesta observase niște linii spectrale neobișnuite în timp ce studia o mostră din uraninit. Totuși, Hillebrand a atribuit aceste linii azotului. Scrisoarea sa de mulțumire adresată lui Ramsay a relevat un caz interesant de descoperire în știință.
În 1907 Ernest Rutherford și Thomas Royds au demonstrat că particulele alfa sunt nuclei de heliu prin penetrarea unui perete subțire de sticlă al unui tub evacuat, apoi creând o descărcare în tub pentru a studia spectrul noului gaz. În 1908, heliul a fost lichefiat pentru prima dată de către fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes prin răcirea gazului la o temperatură mai mică decât un kelvin. A încercat să îl solidifice prin continuarea reducerii temperaturii, însa a eșuat deoarece heliul nu are un punct triplu al temperaturii (la care starea de agregare solidă, lichidă și gazoasă sunt la echilibru). Studentul lui Onnes, Willem Hendrik Keesom, a reușit în cele din urmă să solidifice 1 cm3 de heliu în 1926.
În 1938, fizicianul rus Pyotr Leonidovich Kapitsa a descoperit că heliu-4(42He sau 4He, izotop ușor și non-radioactiv al heliului) nu este vâscos la temperaturi absolute, fenomen numit superfluiditate. Acest fenomen este corelat cu condensarea Bose-Einstein. În 1972, același fenomen a fost observat la heliu-3, însă la temperaturi aproape de zero absolut, de către fizicienii americani Douglas D. Osheroff, David M. Lee și Robert C. Richardson. Se crede că fenomenul este legat de împerecherea unui fermion al heliului-3 pentru obținerea bozonilor, în analogie cu perechile Cooper de electroni pentru producerea superconductivității.
Structură atomică Atomul de heliu300px|right|Atomul de heliu.|alt=Picture of a diffuse gray sphere with grayscale density decreasing from the center. Length scale about 1 Angstrom. An inset outlines the structure of the core, with two red and two blue atoms at the length scale of 1 femtometer.Ilustrarea atomului de heliu. Nucleul este reprezentat cu culoarea roz, iar distribuția norului de electroni cu negru. Nucleul (dreapta sus), în heliu-4 are, în realitate, simetrie sferică și se aseamănă mult cu norul de electroni, ceea ce pentru nuclee mult mai complicat acest lucru nu se întâmplă întotdeauna.
Heliul în mecanica cuantică Heliul are în alcătuirea sa 2 electroni care orbitează în jurul unui nucleu ce conține doi protoni și între doi și 10 neutroni (în funcție de izotop).Fizica cuantică . circuiteelectrice.ro. Accesat la 11 februarie 2009.T. Roșu, Curs de Chimia Nemetalelor, Universitatea din București, 2009. Mecanica clasică nu poate descrie structura atomului de heliu deoarece nu se poate scrie o ecuație pentru două particule utilizând regulile acesteia.The Old Quantum Physics of Neils Bohr and the Spectrum of Helium: A Modified Version of the Bohr Model . sjsu.edu. Accesat la 11 februarie 2009. Însă există metode în mecanica cuantică ce explică compoziția sa, valorile determinate astfel având o eroare mai mică de 2% față de cele obținute experimental. În aceste modele, electronii sunt ecranați, astfel că sarcina nucleară efectivă a fiecăreia este de 1,69 unități față de 2 unități, valoare ce reprezintă sarcina nucleară efectivă a nucleului de heliu fără a se fi luat în considerare cei doi electroni.
Stabilitatea relativă a nucleului și învelișului de electroni ale He-4 Nucleu atomului de heliu-4, care este identic cu o particulă alfa, prezintă un interes deosebit deoarece sarcina sa scade exponențial de la un maxim în punctul central, exact la fel ca densitatea sarcinii propriului nor de electroni al heliului. Motivul acestei simetrii este simplu: perechea de neutroni și perechea de electroni din nucleu se supun exact acelorași reguli de mecanică cuantică ca și perechea de electroni ai heliului (deși particulele nucleare se supun unor potențiale de legătură diferite), astfel că toți acești fermioni ocupă complet stratul 1s în perechi nici unul neavând un moment orbital angular, fiecare anulându-și reciproc spin-ul intrinsec. Această aranjare este extrem de stabilă energetic pentru toate particulele, și această stabilitate explică multe caracteristici cruciale ale heliului în natură.
De exemplu, stabilitatea și energia joasă a norului electronic al heliului explică faptul că este cel mai inert element chimic, și de asemenea lipsa de interacțiune a atomilor de heliu între ei, fapt care determină punctul cel mai scăzut de topire, respectiv de fierbere, dintre toate elementele chimice cunoscute.
Într-un mod similar, stabilitatea energetică particulară a nucleului de heliului-4, produs de efecte similare, se ia în calcul pentru producerea mai ușoară a heliului-4 în reacțiile atomice incluzând atât elemente cu emisii de particule grele, și fuziunea. Stabilitatea heliului-4 este motivul pentru care hidrogenul este convertit în heliu-4 (exceptând deuteriul sau heliul-3 sau elemente chimice mai grele) în Soare. Este de asemenea responsabil pentru faptul că particulele alfa sunt pe departe cel mai comun tip de particule barionice care sunt eliminate din nucleii atomici, deci descompunerea particulelor alfa este mult mai comună decât descompunerea oricăror altor particule.
Stabilitatea neobișnuită a nucleului de heliului-4 este de asemenea importantă în cosmologie — aceasta explică faptul că în primele minute de după Big Bang, când grămada de protoni și neutroni care au fost creați în raport de 6:1, când s-a răcit atmosfera până în punctul în care legăturile nucleare au fost posibile, primii nuclei care au fost creați au fost cei de heliu-4. Legătura de heliu-4 de fapt, încât a consumat toți neutronii liberi înainte ca ei să se dezintegreze în particule beta , lăsând foarte puțini care să mai creeze litiu, beriliu, sau bor. Legătura nucleară a heliului-4 este mai puternică decât a altor elemente (vezi nucleogeneza și energia de legătură) și astfel nici o descărcare energetică nu era disponibilă, când heliul s-a format, a format și elementele 3, 4 și 5.
Acest lucru a fost favorabil din punct de vedere energetic pentru heliu pentru a fuziona cu elementul următor, cu o energie mai mică pe nucleon, cu carbonul. Cu toate acestea, din cauza lipsei de elemente intermediară, acest proces ar lua trei nuclee de heliu lovindu-se reciproc aproape simultan (a se vedea "procesul alfa triplu").