Quelltext der Seite Helium

{{Dieser Artikel|beschreibt das chemische Element. Zum Kurzfilm dieses Namens siehe [[Helium (Kurzfilm)]].}}
{{Infobox Chemisches Element
<!--- Periodensystem --->
| Name         = Helium
| Symbol       = He
| Ordnungszahl = 2
| Serie        = Eg
| Gruppe       = 18
| Periode      = 1
| Block        = s
<!--- Allgemein --->
| Hauptquelle  = <ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus [http://www.webelements.com/helium/ webelements.com (Helium)] entnommen.</ref>
| Aussehen     = Farbloses Gas
| Massenanteil = 0,004&nbsp;[[Parts per million|ppm]]<ref name="Harry H. Binder">[[Harry H. Binder]]: ''Lexikon der chemischen Elemente'', S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.</ref>
| CAS          = {{CASRN|7440-59-7}}
| EG-Nummer    = 231-168-5
| ECHA-ID      = 100.028.334
| ATC-Code     = {{ATC|V03|AN03}}
<!--- Atomar --->
| Atommasse    = 4,002602(2)<ref>Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: ''Atomic weights of the elements (IUPAC Technical Report)'' In: ''Pure and Applied Chemistry'' Vol. 83, No. 2, 2011, S.&nbsp;359–396.</ref><ref name="IUPAC">[http://www.ciaaw.org/pubs/TSAW2013_xls.xls IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013].</ref>
| Atomradius   = <!-- 128 Quelle? -->
| AtomradiusBerechnet = 31
| KovalenterRadius = 28
| VanDerWaalsRadius = 140
| Elektronenkonfiguration = 1[[S-Orbital|s]]<sup>2</sup>
| Austrittsarbeit = 
| Ionisierungsenergie_1 = {{ZahlExp|24,58738880|suffix=(15)|post=[[Elektronenvolt|eV]]<ref name="NIST-ASD-helium">{{NIST-ASD|helium|Abruf=2020-06-11}}</ref>}} ≈ {{ZahlExp|2372,32|post=[[Joule|kJ]]/[[mol]]<ref name="Webelements-helium">{{Webelements|helium|atoms|Abruf=2020-06-11}}</ref>}}
| Ionisierungsenergie_2 = {{ZahlExp|54,4177650|suffix=(3)|post=eV<ref name="NIST-ASD-helium" />}} ≈ {{ZahlExp|5250,51|post=kJ/mol<ref name="Webelements-helium" />}}
<!--- Physikalisch --->
| Aggregatzustand = gasförmig
| Modifikationen = 
| Kristallstruktur = 
| Dichte = 0,1785&nbsp;kg·m<sup>−3</sup><ref name="GESTIS">{{GESTIS|Name=Helium|ZVG=7020|CAS=7440-59-7|Abruf=2017-04-25}}</ref>
| RefTempDichte_K = 
| Mohshärte = 
| Magnetismus = [[Diamagnetismus|diamagnetisch]] (<math>\chi_{m}</math> = −1,1 · 10<sup>−9</sup>)<ref>R. E. Glick: ''On the Diamagnetic Susceptibility of Gases.'' In: ''[[J. Phys. Chem.]]'' 1961, 65, 9, S.&nbsp;1552–1555; [[doi:10.1021/j100905a020]].</ref>
| Schmelzpunkt_K = 0,95
| Schmelzpunkt_C = −272,2
| RefDruckSchmelzpunkt = 2,5 MPa
| Siedepunkt_K = 4,15 K<ref name="Zhang" />
| Siedepunkt_C = −269
| MolaresVolumen = (fest) 21,00&nbsp;·&nbsp;10<sup>−6</sup>
| Verdampfungswärme = 0,0840 kJ/mol<ref name="Zhang">Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: ''Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks.'' In: ''Journal of Chemical & Engineering Data.'' 56, 2011, S.&nbsp;328–337; [[doi:10.1021/je1011086]].</ref>
| Schmelzwärme = 0,02
| Dampfdruck = 
| RefTempDampfdruck_K = 
| Schallgeschwindigkeit = 970
| RefTempSchallgeschwindigkeit_K = 273,15
| SpezifischeWärmekapazität = 5193
| ElektrischeLeitfähigkeit = 
| RefTempElektrischeLeitfähigkeit_K = 
| Wärmeleitfähigkeit = 0,1513
| RefTempWärmeleitfähigkeit_K = 
<!--- Chemisch --->
| Oxidationszustände = 0
| Normalpotential = 
| Elektronegativität = '''5,50''' (Allred&Rochow); '''4,86''' (Mulliken); '''5,2''' (Durchschnitt);<ref>L. C. Allen, [[J. E. Huheey]]: ''The definition of electronegativity and the chemistry of the noble gases.''</ref><br /> keine Angaben zur
| Quelle GHS-Kz   = <ref name="GESTIS" />
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|04}}
| GHS-Signalwort  = Achtung
| H               = {{H-Sätze|280}}
| EUH             = {{EUH-Sätze|-}}
| P               = {{P-Sätze|403}}
| Quelle P        = <ref name="GESTIS" />
| Radioaktiv      = 
<!--- Isotope --->
| Isotope         = 
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Massenzahl = 3
| Symbol = [[Helium-3|He]]
| NH = 0,000137
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 0
| Massenzahl = 4
| Symbol = He
| NH = '''99,999863'''
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Massenzahl = 5
| Symbol = He
| NH = 0
| Halbwertszeit = 7,618&nbsp;·&nbsp;10<sup>−22</sup>&nbsp;s
| Zerfallstyp1ZM = [[Neutronenemission|n]]
| Zerfallstyp1ZE = 0,60
| Zerfallstyp1ZP = <sup>4</sup>He
}}
{{Infobox Chemisches Element/Isotop
| AnzahlZerfallstypen = 1
| Massenzahl = 6
| Symbol = He
| NH = 0
| Halbwertszeit = 806,7&nbsp;ms
| Zerfallstyp1ZM = [[Betastrahlung|β<sup>−</sup>]]
| Zerfallstyp1ZE = 3,508
| Zerfallstyp1ZP = <sup>6</sup>[[Lithium|Li]]
}}
| NMREigenschaften = 
{{Infobox Chemisches Element/NMR
| Symbol = He
| Massenzahl_1 = 3
| Kernspin_1 = 1/2
| Gamma_1 = −20,38016&nbsp;·&nbsp;10<sup>7</sup>
| Empfindlichkeit_1 = 0,442
| Larmorfrequenz_1 = 152,45
}}
}}

'''Helium''' (von {{grcS|ἥλιος|hélios|de=[[Sonne]]}}) ist ein [[chemisches Element]] und hat die [[Ordnungszahl]] 2. Sein [[Elementsymbol]] ist He. Im [[Periodensystem]] steht es in der 18.&nbsp;[[Gruppe des Periodensystems|IUPAC-Gruppe]], der früheren VIII. [[Hauptgruppe]] und zählt damit zu den [[Edelgase]]n. Es ist ein farbloses, geruchloses, geschmacksneutrales und ungiftiges [[Gas]].

Helium bleibt bis zu sehr tiefen Temperaturen gasförmig, erst nahe dem absoluten Nullpunkt wird es flüssig. Es ist die einzige Substanz, die selbst am [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunkt]] (0&nbsp;[[Kelvin|K]] bzw. −273,15&nbsp;[[Celsius|°C]]) unter [[Normalbedingungen|Normaldruck]] nicht fest wird. Neben [[Neon]] ist Helium das einzige Element, für welches selbst unter Extrembedingungen bis jetzt keine Verbindungen nachgewiesen werden konnten, die nicht sofort nach der Bildung zerfallen sind. Helium kommt nur [[atomar]] vor.

Das häufigste stabile [[Isotop]] ist <sup>4</sup>He mit 99,9998(2) % Anteil; das einzige weitere stabile Isotop ist das auf der Erde extrem seltene [[Helium-3|<sup>3</sup>He]] mit 0,0002(2)% Anteil. Weitere exotische Isotope sind die [[Halokern]]e <sup>6</sup>He und <sup>8</sup>He mit 2 bzw. 4 zusätzlichen Neutronen, die sich in einem unerwartet großen Abstand vom eigentlichen Atomkern aufhalten. [[Diproton]] (<sup>2</sup>He) ist ein hypothetisches Heliumisotop aus zwei Protonen und ohne Neutronen im Kern.

Das Verhalten der beiden [[#Im flüssigen Zustand|flüssigen Phasen ''Helium&nbsp;I'' und ''Helium&nbsp;II'']] (rsp. ''Helium-I'' und ''Helium-II'') (insbesondere das Phänomen der [[Suprafluidität]]) von <sup>4</sup>He ist Gegenstand aktueller Forschungen auf dem Gebiet der [[Quantenmechanik]]. Flüssiges Helium ist ein unverzichtbares Hilfsmittel zur Erzielung tiefster Temperaturen. Diese sind unter anderem zur Kühlung von Infrarotdetektoren von [[Weltraumteleskop]]en und zur Untersuchung von Eigenschaften wie der [[Supraleitung]] von Materie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforderlich.

Helium ist nach [[Wasserstoff]] das zweithäufigste Element im Universum und macht etwa ein Viertel der Gesamtmasse der Materie im Universum aus.<ref name="Hammond">C. R. Hammond: The Elements. In: R. C. Weast (ed.). ''Handbook of Chemistry and Physics'', 59th edition, CRC Press, 1977</ref> Nach anerkannter Theorie vereinigten sich rund zehn Sekunden nach dem [[Urknall]] Protonen und Neutronen durch [[Kernfusion]] zu ersten [[Atomkern]]en. Etwa 25 % der entstandenen Masse sind <sup>4</sup>He und Spuren von <sup>3</sup>He. Somit ist der größte Teil des Heliums [[Primordiale Nukleosynthese|schon beim Urknall]] entstanden. Das später im Inneren von Sternen durch Fusion von Wasserstoff entstandene Helium fusionierte zum größten Teil weiter zu schwereren Elementen.

{{Anker|Heliumgewinnung}}
Auf der Erde wird <sup>4</sup>He in Form von Alphateilchen beim [[Alphastrahlung|Alphazerfall]] verschiedener radioaktiver Elemente wie [[Uran]] oder [[Radium]] gebildet. Helium entsteht daraus, wenn das Alphateilchen anderen Atomen zwei Elektronen entreißt. Der Großteil des auf der Erde vorhandenen Heliums ist daher nichtstellaren Ursprungs. Das so entstandene Helium sammelt sich in natürlichen [[Erdgas]]<nowiki />vorkommen in Konzentrationen bis zu 16 Volumenprozent.<ref name="römppol">{{RömppOnline |ID=RD-08-00783 |Name=Helium |Abruf=2013-03-27}}</ref> Daher kann Helium durch [[fraktionierte Destillation]] aus Erdgas gewonnen werden.

Erste Hinweise auf Helium entdeckte 1868 der französische Astronom [[Jules Janssen]] bei Untersuchungen des Lichtspektrums der [[Chromosphäre]] der Sonne, wobei er die bis dahin unbekannte gelbe [[Spektrallinie]] von Helium fand.

Helium findet Anwendungen in der [[Kryotechnik|Tieftemperaturtechnik]], besonders als Kühlmittel für [[Supraleiter|supraleitende Magneten]], in Tiefsee-[[Atemregler|Atemgeräten]], bei der [[Radiometrische Datierung|Altersbestimmung]] von Gesteinen, als Füllgas für Luftballons, als [[Traggas]] für Luftschiffe und als [[Schutzgas]] für verschiedene industrielle Anwendungen (zum Beispiel beim [[Schweißen|Metallschutzgasschweißen]], als Trägergas bei der [[Kapillargaschromatographie]] und bei der Herstellung von Silizium-[[Wafer]]n). Nach dem Einatmen von Helium verändert sich aufgrund der im Vergleich zu Luft höheren [[Schallgeschwindigkeit]] kurzzeitig die Stimme („''[[Micky Maus|Micky-Maus]]-Stimme''“).

== Geschichte ==
[[Datei:FraunhoferLinesDiagram.jpg|mini|links|upright=1.1|Das vollständige Spektrum der [[Sonne]]]]
[[Datei:Helium spectrum.jpg|mini|links|upright=1.1|Die Spektrallinien von Helium:<ref>{{Webarchiv|url=http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/lessons/xray_spectra/worksheet-specgraph2-sol.html |wayback=20111115084746 |text=Spektrum der Sonne und die Anteile von Wasserstoff und Helium }}.</ref> Besonders auffällig ist die gelbe Spektrallinie.]]
[[Datei:Pierre Janssen.jpg|mini|links|hochkant=0.7|[[Jules Janssen]], erster Entdecker des Heliums]]
[[Datei:Helium-Spektrum einer Gasentladungsröhre.jpg|mini|upright=1.75|Spektrum einer Helium-Gasentladung]]

Hinweise auf das Element Helium erhielt man zum ersten Mal aufgrund einer hellen gelben [[Spektrallinie]] bei einer Wellenlänge von 587,49&nbsp;Nanometern im Spektrum der [[Chromosphäre]] der Sonne. Diese Beobachtung machte der französische Astronom [[Jules Janssen]] in [[Indien]] während der totalen [[Sonnenfinsternis vom 18. August 1868]]. Als er seine Entdeckung bekannt machte, glaubte ihm zunächst niemand, da bislang noch nie ein neues Element im Weltall gefunden worden war, bevor der Nachweis auf der Erde geführt werden konnte. Am 20.&nbsp;Oktober desselben Jahres bestätigte der Engländer [[Joseph Norman Lockyer|Norman Lockyer]], dass die gelbe Linie tatsächlich im [[Sonnenspektrum]] vorhanden ist, und schloss daraus, dass sie von einem bislang unbekannten Element verursacht wird. Da diese Spektrallinie sehr nahe (1,8 nm von der Mitte) der [[Fraunhoferlinie|Fraunhofer-Doppel-D-Linie]] (D2 = 589,00 nm, D1 = 589,60 nm) des Metalls Natrium lag, nannte er die Linie D3, um sie von den Linien D1 und D2 des Natriums zu unterscheiden. Er und sein englischer Kollege [[Edward Frankland]] schlugen vor, das neue Element Helium (von griechisch ''helios'', Sonne) zu nennen.<ref name="Hammond" />

14 Jahre später, im Jahre 1882, gelang es [[Luigi Palmieri]] durch die Spektralanalyse von [[Vesuv]]-Lava erstmals, das Element Helium auch auf der Erde nachzuweisen.

[[Datei:William Ramsay.jpg|mini|links|hochkant=0.7|Sir William Ramsay]]

Am 23. März 1895 gewann der britische Chemiker [[William Ramsay]] Helium, indem er das Uran-Mineral ''Cleveit'', eine Varietät des [[Uraninit]]s, mit [[Mineralsäure]]n versetzte und das dabei austretende Gas isolierte.<ref>William Ramsay: ''Helium, a Gaseous Constituent of Certain Minerals. Part I.'' In: ''Proceedings of the Royal Society of London (1854–1905).'' 58, 1895, S.&nbsp;80–89; [[doi:10.1098/rspl.1895.0010]].</ref> Er war auf der Suche nach Argon, konnte jedoch die gelbe D3-Linie beobachten, nachdem er [[Stickstoff]] und Sauerstoff von dem isolierten Gas getrennt hatte. Dieselbe Entdeckung machten fast gleichzeitig der britische Physiker [[William Crookes]] und die schwedischen Chemiker [[Per Teodor Cleve]] und [[Nicolas Langlet]] in [[Uppsala]] in [[Schweden]]. Diese sammelten ausreichende Mengen des Gases, um dessen [[Atommasse]] feststellen zu können.

Im Jahr 1903 gelang Ramsay erstmals die „Umwandlung“ von Radium in Helium.<ref>[[Paul Diepgen]], [[Heinz Goerke]]: ''[[Ludwig Aschoff|Aschoff]]: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin.'' 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 54.</ref>

Während einer Ölbohrung in [[Dexter (Kansas)|Dexter]] in [[Kansas]] wurde eine Erdgasquelle gefunden, deren Erdgas 12 Volumenprozent eines unbekannten Gases enthielt. Die amerikanischen Chemiker [[Hamilton Cady]] und [[David McFarland]] der [[University of Kansas|Universität von Kansas]] fanden 1905 heraus, dass es sich dabei um Helium handelte. Sie publizierten eine Meldung, dass Helium aus Erdgas gewonnen werden kann. Im selben Jahr stellten [[Ernest Rutherford]] und [[Thomas Royds]] fest, dass [[Alphastrahlung|Alphateilchen]] Heliumkerne sind.

Die erste [[Verflüssigung]] von Helium wurde 1908 vom niederländischen Physiker [[Heike Kamerlingh Onnes]] durchgeführt, indem er das Gas auf eine Temperatur von unter 1&nbsp;K kühlte. Festes Helium konnte er auch bei weiterem Abkühlen nicht erhalten, dies gelang erst 1926 [[Willem Hendrik Keesom]], einem Schüler Kamerlingh Onnes’, durch Komprimieren des Heliums auf 25&nbsp;bar bei analoger Temperatur. Kamerlingh Onnes beschrieb zuerst das Phänomen suprafluider Flüssigkeiten, das als [[Onnes-Effekt]] bekannt ist.

Im frühen 20.&nbsp;Jahrhundert wurden große Mengen Helium in Erdgasfeldern der amerikanischen [[Great Plains]] gefunden, und damit wurden die Vereinigten Staaten zum führenden Weltlieferanten für Helium. Nach einem Vorschlag von Sir [[Richard Threlfall]] förderte die [[United States Navy|US-Marine]] drei kleine experimentelle Heliumproduktionsbetriebe während des [[Erster Weltkrieg|Ersten Weltkrieges]], um Helium als Füllgas für [[Sperrballon]]e zu gewinnen. Eine Gesamtmenge von 5.700 Kubikmetern Gas mit einem Heliumanteil von 92 % wurde von diesen Betrieben gewonnen. Dieses Helium wurde 1921 im ersten heliumgefüllten Luftschiff benutzt, dem [[C-7]] der US-Navy.

Die Regierung der USA ließ 1925 die National Helium Reserve in [[Amarillo (Texas)|Amarillo]] in [[Texas]] errichten, um eine Versorgung von militärischen Luftschiffen in Kriegszeiten und [[Verkehrsluftschiff]]en in Friedenszeiten zu sichern. Das Lager befindet sich in einer natürlichen Gesteinsformation 20&nbsp;km nordwestlich von Amarillo. Obwohl die Nachfrage nach dem [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]] sank, wurde die Förderungsanlage in Amarillo erweitert, damit flüssiges Helium als Kühlmittel für Sauerstoff-Wasserstoff-[[Raketentreibstoff]] und andere zu kühlende Gegenstände bereitgestellt werden konnte. Der Heliumverbrauch der USA stieg im Jahr 1965 auf das Achtfache des Spitzenverbrauchs in Kriegszeiten.

Nachdem in den USA die ''Helium Acts Amendments of 1960'' (Public Law 86-777) beschlossen worden waren, wurden weitere fünf private Heliumförderanlagen errichtet. Das US-Minenministerium ließ dafür eine 685&nbsp;Kilometer lange Pipeline von [[Bushton]] in [[Kansas]] nach Amarillo in Texas bauen; dieses Lager enthielt 1995 rund eine Milliarde Kubikmeter Helium und 2004 etwa das Zehnfache des Weltjahresbedarfs an Helium. Bis 2015 soll das Lager leer sein und aufgelöst werden (''Helium Privatization Act'').

Die Reinheit des gewonnenen Heliums stieg nach dem Zweiten Weltkrieg rasant an. Wurde 1945 noch eine Mischung von 98 % Helium und 2 % Stickstoff für Luftschiffe benutzt, konnte 1949 bereits Helium mit einer Reinheit von 99,995 % kommerziell vertrieben werden. Um diesen [[Stoffreinheit|Reinheitsgrad]] zu erreichen, ist [[Aktivkohle]] nötig, um verbliebene Verunreinigungen&nbsp;– meistens bestehend aus [[Neon]]&nbsp;– mittels [[Druckwechsel-Adsorption]] zu entfernen.

== Vorkommen ==
=== Weltall ===
[[Datei:Neptune-visible.jpg|mini|Helium macht ungefähr 19 % von Neptuns äußeren Gasschichten aus. Neptuns Hauptbestandteil ist Wasserstoff; die blaugrüne Färbung entsteht durch [[Methan]].]]

Nach der [[Urknalltheorie]] entstand der größte Teil des im Weltraum vorhandenen Heliums in den ersten drei Minuten nach dem Urknall. Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element. 23 % der Masse der [[Baryonische Materie|gewöhnlichen (baryonischen) Materie]] bestehen aus Helium, obwohl [[Wasserstoffatom]]e achtmal so häufig sind. Außerdem wird Helium durch [[Kernfusion]] in [[Stern]]en produziert. Dieses sogenannte ''[[Wasserstoffbrennen]]'' liefert die Energie, die die Sterne auf der [[Hauptreihe]], also die Mehrheit aller Sterne, zum Leuchten bringt. Dieser Prozess liefert den Sternen die Energie für den größten Teil ihres Lebens. Wenn der größte Teil des Wasserstoffes am Ende des Lebens eines Sterns im Kern aufgebraucht ist, zieht sich der Kern zusammen und erhöht seine Temperatur. Außer bei Sternen geringer Masse ([[Roter Zwerg|roten Zwergen]]) kann dadurch nun Helium zu Kohlenstoff verbrannt werden ([[Heliumflash]], [[Heliumbrennen]]). In massereichen Sternen kann Kohlenstoff weiter zu schwereren Elementen verbrannt werden. Dieser Prozess kann sich bis zum Eisen fortsetzen. Bei einer [[Supernova]]explosion werden die erzeugten Elemente (einschließlich schwererer Elemente als Eisen, die durch die Explosion entstehen) im Weltraum verteilt. Im Verlauf der Zeit reichert sich die [[Interstellares Medium|interstellare Materie]] dadurch mit Helium und schwereren Elementen an, sodass später daraus entstandene [[Population (Astronomie)|Sternpopulationen]] einen größeren Anteil an Helium und schwereren Elementen haben.

Auf Sternoberflächen und in [[Nebel (Astronomie)|Nebeln]] kommt Helium vorwiegend neutral („He&nbsp;I“ in der Nomenklatur der Astronomie) oder einfach ionisiert („He&nbsp;II“) vor.

Helium ist in Planeten-Atmosphären in unterschiedlichen Anteilen vorhanden. Nachfolgend beispielhaft der bodennahe bzw. bei den Gasplaneten äußere Stoffmengenanteil:
{| class="wikitable"
|-
| [[Neptun (Planet)|Neptun]] || {{0}}19 % ± 3,2 %
|-
| [[Uranus (Planet)|Uranus]] || 15,2 % ± 3,3 %
|-
| [[Jupiter (Planet)|Jupiter]] || 10,2 %
|-
| [[Saturn (Planet)|Saturn]] || {{0}}3,25 %
|-
| [[Venus (Planet)|Venus]] || {{0}}0,001&#8239;2 % (12&nbsp;[[Parts per million|ppm]])
|-
| [[Erde]] || {{0}}0,000&#8239;52 % (5,2&nbsp;ppm)
|}

=== Meteoriten, Asteroiden und Mond ===
Helium kann in [[Meteorit]]en und oberflächlichem Mondgestein auch durch Wechselwirkung ([[Spallation]]) mit [[Kosmische Strahlung|Kosmischer Strahlung]] erzeugt werden. Besonders <sup>3</sup>He kann deswegen benutzt werden, um das sogenannte [[Bestrahlungsalter]], welches meist dem Zeitraum vom Losschlagen des Meteoriten vom Mutterkörper bis zu seiner Ankunft auf der Erde entspricht, zu bestimmen. Daneben entsteht <sup>4</sup>He in Meteoriten durch Zerfall schwerer radioaktiver Elemente. Es gibt in Meteoriten weitere Heliumanteile, welche aus der Zeit der Entstehung des Sonnensystems stammen.

Der Hauptanteil des im Regolith des Mondes gebundenen Heliums stammt aus dem [[Sonnenwind]], wenn er ungehindert durch eine Atmosphäre oder ein Magnetfeld auf die Oberfläche trifft. Etwa 4 % des Sonnenwindes sind Heliumionen, davon etwa 0,48&nbsp;‰ Helium-3. Die Heliumionen des Sonnenwindes haben eine Energie von etwa 3&nbsp;keV, dringen in Feststoffe ein und verbleiben dort (siehe [[Ionenimplantation]]). Helium ist wegen der geringen Ionen-Eindringtiefe (Sub-Mikrometerbereich) besonders im Feinanteil des Regolith an der Oberfläche und wegen der Durchmischung bis zu Tiefen von einigen Metern zu finden. Es ist besonders in Titanoxid-reichen, leitfähigen Mineralien ([[Ilmenit]]) verblieben. Es kommt hier in Konzentrationen bis zu 70&nbsp;Masse-ppm vor. Etwa 100&nbsp;ppm des im Mondgestein gebundenen Heliums ist das Isotop [[Helium-3]], welches auf der Erde äußerst selten ist und dessen Verwendung in Fusionsreaktoren diskutiert wird.<ref>''Lunar Helium-3 and Fusion Power''. [[NASA]] Conference Publication 10018, Proceedings eines Workshops in Cleveland/Ohio, 25. bis 26. April 1988</ref><ref>Shashwat Shukla, Valentyn Tolpekin, Shashi Kumar, Alfred Stein: ''Investigating the Retention of Solar Wind Implanted Helium-3 on the Moon from the Analysis of Multi-Wavelength Remote Sensing Data''. In: ''Remote Sensing'', 4. Oktober 2020, Jg. 12, S. 3350. [[doi:10.3390/rs12203350]].</ref>

=== Erde ===
[[Datei:The Earth seen from Apollo 17.jpg|mini|Helium-4 entsteht im Erdinneren durch radioaktivem Zerfall von im Wesentlichen Thorium-232 und Uran-238.]]

<sup>4</sup>He entsteht im Erdkörper beim [[Radioaktivität|radioaktiven α-Zerfall]] schwerer Elemente wie Uran oder [[Thorium]], wobei Helium-Kerne als [[Alphastrahlung|Alphateilchen]] ausgesandt werden und anschließend Elektronen einfangen. Es kann in verschiedenen uran- und thoriumhaltigen Mineralen wie der [[Pechblende]] gefunden werden.

Aus der Entstehungszeit der Erde stammt ein Anteil von <sup>3</sup>He im Erdmantel, der weit über dem atmosphärischen Wert liegt, das sogenannte Mantelhelium; das <sup>4</sup>He/<sup>3</sup>He-Verhältnis liegt im oberen Erdmantel, der weitgehend entgast ist und dessen Heliumbestand daher im Wesentlichen durch <sup>4</sup>He aus Alpha-Zerfällen wiederaufgefüllt wird, bei etwa 86.000. Wenn das Konvektionssystem des unteren Erdmantels weitgehend von dem des oberen getrennt und der Massenaustausch zwischen beiden entsprechend gering ist, liegt das Verhältnis im unteren, kaum entgasten Mantel zwischen 2500 und 26.000, das heißt, der Anteil von <sup>3</sup>He ist höher. Von besonderem geodynamischem Interesse ist dies im Hinblick auf die Ursachen von [[Hot-Spot (Geologie)|Hotspot-Vulkanismus]]: während für [[Basalt]]e von mittelozeanischen Rücken, die durch Schmelzprozesse von Material des oberen Mantels entstehen, <sup>4</sup>He/<sup>3</sup>He = 86.000 typisch ist, sind Basalte von einigen Hotspots, zum Beispiel ozeanischen Vulkaninseln wie Hawaii und Island, rund drei- bis viermal <sup>3</sup>He-reicher. Dies wird gemeinhin damit erklärt, dass dieser Vulkanismus durch [[Plume (Geologie)|Mantelplumes]] verursacht wird, deren Ursprung an der Kern-Mantel-Grenze liegt und die daher zumindest teilweise aus Material des unteren Erdmantels bestehen.

Helium-3 ist das Zerfallsprodukt von [[Tritium]]. Wasser in oberflächennahen Gewässern enthält aufgrund von Interaktion mit kosmischer Strahlung eine gewisse Menge Tritium, von welchem wiederum eine gewisse Menge zu Helium-3 zerfällt und [[ausgasen|ausgast]]. Der größte Teil dieses Helium-3 geht jedoch letztlich in die Atmosphäre über und verliert sich anschließend im Weltall (siehe unten).

Helium kommt – durch den gleichen Mechanismus der Ansammlung – in [[Erdgas]] (mit bis zu 16 Volumenprozent Anteil) und in geringen Mengen im [[Erdöl]] (0,4 %) vor. Europäische Erdgasvorkommen enthalten dabei lediglich Anteile um 0,12 (Nordsee) bis 0,4 Volumenprozent (Polen), während in sibirischen, nordamerikanischen (Kanada, Texas, Kansas und Oklahoma) und algerischen Erdgasvorkommen bis zu 16 Volumenprozent möglich sind.<ref name="römppol" />

In unteren Schichten der [[Erdatmosphäre]], besonders der vom Wetter durchmischten [[Troposphäre]] beträgt der Heliumgehalt etwa 5,2&nbsp;ppm. In sehr großer Höhe entmischen sich Gase tendenziell entsprechend ihrer unterschiedlichen Dichte auch entgegen der durchmischenden Wirkung der ungerichteten molekularen Wärmebewegung. Oberhalb 100&nbsp;km Höhe ([[Homosphäre]]) liegt die Atmosphäre zunehmend entmischt vor, Helium wird so in Höhen >400&nbsp;km, (teilchenanzahlmäßig) das vorherrschende Gas. Dabei entweichen Heliumatome in diesen Höhen in den Weltraum – im stationären Fall so viel, wie aus der Erdoberfläche durch Diffusion, Förderung und Vulkanismus nachgeliefert wird.

Menschen greifen in den Heliumhaushalt der Erde insofern ein, dass einerseits Vorkommen, welche ohne menschliches Zutun unterhalb gasdichter Schichten „gefangen“ gewesen wären, menschlicher Nutzung – und dadurch oft früher oder später der Atmosphäre – zugeführt werden, andererseits wird in [[Kernreaktor]]en in vielfältiger Weise Helium „produziert“. Zum einen sind alle [[Actinoide]] entweder Alphastrahler oder [[Betazerfall|betazerfallen]] zu Alphastrahlern. Hierbei sind die von Menschen produzierten Nuklide üblicherweise um Größenordnungen kurzlebiger als die primordialen Ausgangsnuklide Uran-235, Uran-238 und Thorium-232. Zum anderen entsteht durch vielfältige Vorgänge in diversen Reaktortypen Tritium, welches zu Helium-3 zerfällt. Obwohl Menschen seit Jahrzehnten Kernfusion in Form von [[Wasserstoffbombe]]n und dem [[Fusor]] betreiben, ist der Effekt dieser menschlichen Aktivitäten auf die Menge irdischen Heliums vernachlässigbar, da hierbei bisher jeweils nur relativ geringe Mengen umgesetzt wurden. Sollte Menschen kontrollierte Kernfusion unter Energiegewinnung gelingen, könnte der Effekt auf Heliumvorkommen unter Umständen relevant sein, insbesondere wenn das besonders seltene Helium-3 als „Brennstoff“ verbraucht würde.

== Gewinnung ==
[[Erdgas]] mit einem Heliumanteil ab 0,2 %<ref name="LindeTech" /> ist der größte und wirtschaftlich wichtigste Heliumlieferant. Da Helium eine sehr niedrige Siedetemperatur besitzt, ist es durch Herunterkühlen des Erdgases möglich, das Helium von den anderen im Erdgas enthaltenen Stoffen, wie [[Kohlenwasserstoffe]]n (vorwiegend [[Methan]]) und [[Stickstoff]]verbindungen, zu trennen. Bei der Herstellung von [[Flüssigerdgas|LNG]] zum internationalen Handel per Schiff erfolgt dieser Vorgang zwangsläufig, wodurch sich unter Umständen auch die Nutzung geringerer Helium-Konzentrationen lohnen kann.

Viele Jahre lang gewannen die USA über 90 % des kommerziell nutzbaren Heliums der Welt. Noch 1995 wurden in den USA insgesamt eine Milliarde Kubikmeter Helium gefördert. Der restliche Anteil wurde von Förderungsanlagen in [[Kanada]], [[Polen]], [[Russland]] (wobei große Mengen in den unzugänglichen Gebieten [[Sibirien]]s liegen) und anderen Ländern geliefert. Nach der Jahrtausendwende kamen [[Algerien]] und [[Katar]] dazu. Algerien konnte sich rasch zum zweitwichtigsten Heliumlieferanten entwickeln. 2002 stellte Algerien 16 % des in der Welt vertriebenen Heliums her. Das Helium wird dort bei der Erdgasverflüssigung gewonnen.

Bei [[Amarillo (Texas)|Amarillo]] in [[Texas]] lagerte 2004 etwa das Zehnfache des Weltjahresbedarfs an Helium im sogenannten ''Cliffside Field''. Diese ehemals strategische Reserve der US-amerikanischen Regierung muss jedoch aufgrund des ''Helium Privatization Act'' der Clinton-Regierung aus dem Jahr 1996 bis 2015 an die Privatwirtschaft verkauft werden. 2021 waren noch 85,7&nbsp;Mio.&nbsp;m³ im Bundesspeicher vorhanden.<ref name="usgs_2022">[https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022-helium.pdf U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2022: HELIUM].</ref>

Dadurch wurde zunächst eine Heliumschwemme mit sehr niedrigen Preisen verursacht, die für lange Zeit zu verschwenderischem Umgang führte. Weil der Verbrauch jedoch ständig steigt, droht Helium knapp zu werden, und Anlagen zur Wiedergewinnung des Heliums wurden bei Großverbrauchern zunehmend in Betrieb genommen. Experten warnen sogar vor einem Heliummangel, da Helium nur aus einigen Erdgasvorkommen gewonnen werden kann.<ref>hda: [https://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/edelgas-nobelpreistraeger-warnt-vor-weltweitem-helium-mangel-a-713535.html ''Edelgas, Nobelpreisträger warnt vor weltweitem Helium-Mangel''.] [[Spiegel Online]], 24. August 2010; abgerufen am 30. Juni 2012.</ref><ref name="Spektrum">Robert Gast: [http://www.spektrum.de/alias/inerte-gase/das-unterschaetzte-element/1155942 ''Inerte Gase, Das unterschätzte Element''.] Spektrum.de, 29. Juni 2012; abgerufen am 30. Juni 2012.</ref> Im Jahr 2016 wurde jedoch ein gewaltiges Helium-Vorkommen in Tansania entdeckt, so dass die Heliumkrise vorerst als abgewendet gilt. Da ebenfalls die geologischen Bedingungen ermittelt werden konnten, unter denen sich Helium bildet, erhofft man sich weitere Funde in der Zukunft.<ref>{{Internetquelle |autor=Harald Frater |url=http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20326-2016-06-28.html |titel=Rettender Fund wendet Heliumkrise ab: Forscher entdecken gigantisches Helium-Reservoir in Tansania |werk=scinexx.de |abruf=2016-06-30}}</ref> Im September 2019 wurde wieder auf eine drohende weltweite Heliumkrise hingewiesen.<ref>{{Internetquelle |autor=Christoph Seidler |url=https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/helium-forscher-warnen-vor-weltweiter-knappheit-a-1287198.html |titel=Helium: Forscher warnen vor weltweiter Knappheit |werk=[[Spiegel Online]] |datum=2019-09-17 |abruf=2019-09-24}}</ref> Die US-amerikanische USGS kam bei ihrer im Herbst 2021 veröffentlichten Untersuchung jedoch zum Ergebnis, dass die weltweiten Heliumreserven 39,8 Milliarden m³ betragen, davon 8,5 Milliarden m³ in den USA. Am 9. November 2021 wurde darum Helium in den USA von der Liste kritischer Rohstoffe gestrichen.<ref name="usgs_2022"/>
In Russland befindet sich ein auf 60 Mio. m³ Erzeugungskapazität ausgerichtetes Werk gerade in der Errichtung. Die erste von drei jeweils auf 20 Mio. m³ ausgelegten Produktionslinien ging im Herbst 2021 in Betrieb, die nächste sollte im Februar 2022 folgen.<ref name="usgs_2022"/>

Die europäische Union hat Helium von der [[Liste der kritischen Rohstoffe]] gestrichen. Dennoch kommt es immer wieder zu Versorgungsengpässen („Heliumkrise“).<ref>{{Internetquelle|autor=Rainer Kurlemann |url=https://www.heise.de/hintergrund/Helium-Warum-die-Versorgung-mit-dem-Edelgas-unuebersichtlich-ist-7285962.html |titel=Helium: Warum die Versorgung mit dem Edelgas unübersichtlich ist |werk=heise.de |datum=2022-10-07 |abruf=2023-04-27}}</ref><ref>{{Internetquelle|autor=Omer Awan |url=https://www.forbes.com/sites/omerawan/2022/11/10/the-helium-crisis-how-it-will-affect-you-and-your-loved-ones/ |titel=Why The Global Helium Shortage May Be The World’s Next Medical Crisis |werk=forbes.com |datum=2022-11-10 |abruf=2023-04-27}}</ref>
Die weltweiten Heliummärkte gelten zudem als ausgesprochen intransparent.<ref>{{Internetquelle|autor=Christoph Seidler |url=https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/helium-forscher-warnen-vor-weltweiter-knappheit-a-1287198.html |titel=Helium: Forscher warnen vor weltweiter Knappheit |werk=[[Spiegel Online]] |datum=2019-09-17 |abruf=2023-04-27}}</ref> Anfang des Jahres 2022 hatte sich der Heliumpreis weltweit verdoppelt, da die Nachfrage das Angebot deutlich überstieg. In mehreren Forschungslaboren mussten wegen Heliummangel Experimente abgebrochen werden. Lieferanten kürzten die Liefermengen um etwa 50 Prozent.<ref>{{Internetquelle | autor=Norbert Lossau | url=http://www.welt.de/wissenschaft/article238234573/Rohstoffkrise-Warum-das-Edelgas-Helium-jetzt-knapp-und-teuer-ist.html | titel=Rohstoffkrise: Warum das Edelgas Helium jetzt knapp und teuer ist | werk=[[Die Welt#Online-Ausgabe|welt.de]] | datum=2022-04-19 |abruf=2023-04-27}}</ref>

Die weltweiten Erzeugermengen verteilen sich wie folgt:

{| class="wikitable sortable"
|+ Fördermengen in Millionen Kubikmeter
! Land
! 2019<br><ref name="usgs_2021">[https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2021/mcs2021-helium.pdf U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2021: HELIUM].</ref>
! 2020<br><ref name="usgs_2022" />
! 2023<br><ref>{{Internetquelle |url=https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2024/mcs2024-helium.pdf |titel=Helium |hrsg=U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2024 |sprache=en |abruf=2024-03-06}}</ref>
|-
| {{USA}}<br>(aus Cliffside-Speicher) || {{0|(0}}89<br>{{0}}(21) || {{0|(0}}83<br>{{0|00}}(7) || {{0|(0}}79<br>{{0}}(19)
|-
| {{DZA}} || {{0|(0}}14 || {{0|(0}}14 || {{0|(0}}10
|-
| {{AUS}} || {{0|(00}}4 || {{0|(00}}4 || {{0|(00}}1
|-
| {{CAN}} || {{0|(0}}<1 || {{0|(0}}<1 || {{0|(00}}4
|-
| {{CHN}} ||            || {{0|(00}}1 ||
|-
| {{POL}} || {{0|(00}}1 || {{0|(00}}1 || {{0|(00}}3
|-
| {{QAT}} || {{0|(0}}45 || {{0|(0}}51 || {{0|(0}}66
|-
| {{RUS}} || {{0|(00}}5 || {{0|(00}}5 || {{0|(00}}8
|-
| '''Gesamt (gerundet)''' || {{0|(}}'''160''' || {{0|(}}'''160''' || {{0|(}}'''171'''
|}

Das [[Isotop]] <sup>3</sup>He ist nur zu etwa 1,4&nbsp;[[Parts per million|ppm]] in natürlichem Helium der Erde enthalten und daher um ein Vielfaches teurer als das natürliche Isotopengemisch.

=== Erzeugung ===
Prinzipiell kann Helium in [[Kernreaktion]]en gewonnen werden. Vielfach ist es dabei ein [[Koppelprodukt]] oder eigentlich gänzlich unerwünscht. Helium-4 entsteht durch Neutronenbeschuss von [[Lithium]]-6 in einem [[Kernreaktor]]; als Nebenprodukt entsteht [[Tritium]] (überschwerer Wasserstoff). Tritium ist aufgrund seines deutlich höheren Preises zumeist das Hauptziel dieser Reaktion:

:<chem> ^6 Li + n -> ^3 H + ^4 He </chem>.

Tritium zerfällt zu Helium-3 durch [[Betazerfall]] mit einer Halbwertszeit von 12,33 Jahren.

Lithium-7, das bei weitem häufigere Lithium-Isotop, kann auf zwei verschiedenen Wegen zu Helium umgesetzt werden, jedoch sind in beiden Fällen die [[Wirkungsquerschnitt]]e relativ gering:

:<chem> ^7Li + p -> 2\ ^4He </chem>

:<chem> ^7Li + n -> 2\ ^4He + e^- </chem>.

Der Beschuss von Lithium-7 mit Protonen wurde noch vor Entdeckung der [[Kernspaltung]] in Uran als „smashing the atom“ (in etwa „Atome auseinander hauen“) bekannt. [[John Cockcroft]] und [[Ernest Walton]] erhielten für dieses Experiment aus dem Jahr 1932 den Physiknobelpreis 1951.

Es werden sehr geringe Mengen von Helium-3 in mit Wasser [[Moderator (Physik)|moderierten]] Reaktoren erbrütet, wenn die im Wasser enthaltenen Wasserstoffatome Neutronen einfangen. Aus dem normalen Wasserstoff bildet sich dadurch Schwerer Wasserstoff ([[Deuterium]]) und daraus durch einen weiteren Neutroneneinfang [[Tritium]], das wiederum durch Betazerfall zu Helium-3 wird. Bei normalem Wasserstoff ist die Einfangrate höher als beim darauf folgenden Schritt des Neutroneneinfanges durch schweren Wasserstoff (deshalb können Kernkraftwerke, [[Schwerwasserreaktor|die Schweres Wasser als Moderator verwenden]], auch mit Natururan betrieben werden):

: <math>\mathrm{{}^{1}_{1}H\ \ \xrightarrow {(n,\gamma)}\ \ ^{2}_{1}H\ \ \xrightarrow {(n,\gamma)}\ \ ^{3}_{1}H\ \ \xrightarrow [12{,}33\ \ a]{\beta^-} \ \ ^{3}_{2}He}</math>
:<small>Die angegebenen Zeiten sind [[Halbwertszeit]]en.</small>

In kanadischen [[CANDU]]-Reaktoren, bei denen schweres Wasser als Moderator und Primärkühlmittel Verwendung findet, ist die Produktion von Tritium derart bedeutsam, dass die aufwendige und teure [[Isotopentrennung]] lohnend ist, um Tritium bzw. dessen Zerfallsprodukt Helium-3 zu verkaufen.

Ein gewisser Anteil (etwa 0,2…0,4 % im [[thermisches Neutron|thermischen Spektrum]]) der Kernspaltungen sind ''ternary fission'', das heißt, es entstehen ''drei'' positiv geladene Spaltprodukte. Hierbei handelt es sich häufig (in über 90 % der Fälle) um Alphateilchen (Helium-4-Kerne) und immer noch in gut 7 % der Fälle um  Tritium.

Auch in [[Druckwasserreaktor]]en wird eine gewisse Menge Helium durch das Versetzen des Kühlwassers mit [[Borsäure]] erzeugt. Die Borsäure dient der Verringerung der Reaktivität durch [[Neutroneneinfang]]. Wegen des besseren [[Wirkungsquerschnitt]]es wird hierbei zumeist Bor-10 (<sup>10</sup>B) angereichert, welches in natürlichen Bor nur gut 20 % ausmacht. Trifft ein schnelles Neutron auf Bor-10 (<sup>10</sup>B), dann kann es passieren, dass dieses ein Neutron „losschlägt“ und Bor-9 (<sup>9</sup>B) entsteht. Dieses ist höchst instabil und zerfällt unter Abgabe eines Protons zu Beryllium-8 (<sup>8</sup>Be), welches im Vergleich zu zwei Alphateilchen energetisch höchst ungünstig ist und daher entsprechend schnell zerfällt. Die Bruttoreaktionsgleichung lautet daher:
:<chem> ^10B + n -> 2\  ^4He + p + 2n </chem>

Fängt Bor-11 (<sup>11</sup>B) ein Neutron ein, erfolgt in 99,6 % der Fälle der Betazerfall zu stabilem Kohlenstoff-12 (<sup>12</sup>C) in den verbleibenden 0,4 % der Fälle wird nach Abgabe eines Betateilchens analog zu oben über den Zwischenschritt Beryllium-8 (<sup>8</sup>Be) das Ausgangsmaterial in drei Alphateilchen umgesetzt.

:<chem> ^11B + n -> 3\ ^4He + e^- </chem>

== Eigenschaften ==
=== Physikalische Eigenschaften ===
[[Datei:He4 de.svg|mini|upright=1.2|Phasendiagramm Helium-4:<br />hcp: [[Hexagonales Kristallsystem|hexagonal-dichteste Kugelpackung]]<br />bcc: [[Kubisches Kristallsystem|kubisch-raumzentriertes Kristallsystem]]]]

Helium ist nach Wasserstoff das chemische Element mit der zweitgeringsten Dichte und besitzt die niedrigsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente. Daher existiert es nur unter sehr tiefen Temperaturen als Flüssigkeit oder Feststoff. Bei Temperaturen unter 2,17&nbsp;K liegt <sup>4</sup>He in einer [[Suprafluidität|suprafluiden]] Phase vor. Bei Normaldruck wird Helium selbst bei einer Temperatur nahe 0&nbsp;K nicht fest. Erst bei einem Druck oberhalb 2,5&nbsp;MPa (rund 25-facher Atmosphärendruck) geht Helium bei hinreichend tiefen Temperaturen in eine feste Phase über.

==== Im gasförmigen Zustand ====
Helium ist ein farbloses, geruchloses, geschmacksneutrales und ungiftiges Gas. Unter [[Standardbedingungen]] verhält sich Helium nahezu wie ein [[ideales Gas]]. Helium ist praktisch unter allen Bedingungen atomar. Ein Kubikmeter Helium hat bei Standardbedingungen eine Masse von 179&nbsp;g, [[Luft]] ist dagegen etwa siebenmal so schwer. Helium weist nach Wasserstoff die größte [[thermische Leitfähigkeit]] unter allen Gasen auf und seine [[spezifische Wärmekapazität]] ist außergewöhnlich groß. Helium ist ein guter elektrischer [[Nichtleiter|Isolator]]. Die [[Wasserlöslichkeit|Löslichkeit]] von Helium in Wasser ist mit 1,5 mg/l<ref name="GESTIS_L">{{GESTIS|Name=Helium|ZVG=7020|CAS=7440-59-7|Abruf=2019-12-17}}</ref> (9,3&nbsp;ml/l) bei 20&nbsp;°C und 101.325&nbsp;kPa geringer als bei jedem anderen Gas. Seine [[Diffusion]]srate durch [[Festkörper]] beträgt das Dreifache von Luft und ca. 65 Prozent von Wasserstoff.<ref name="Chem_Encyclopedia">''The Encyclopedia of the Chemical Elements'', S.&nbsp;261.</ref> Helium hat bei Standardbedingungen einen negativen [[Joule-Thomson-Effekt|Joule-Thomson-Koeffizienten]], das heißt, dieses Gas erwärmt sich bei Ausdehnung. Erst unterhalb der [[Joule-Thomson-Effekt|Joule-Thomson-Inversionstemperatur]] (ca. 40 K bei Atmosphärendruck) kühlt es sich bei Expansion ab. Daher muss Helium unter diese Temperatur vorgekühlt werden, ehe es durch Expansionskühlung verflüssigt werden kann. Seine kritischen Daten sind ein Druck von 2,27&nbsp;bar, eine Temperatur von −267,95&nbsp;°C (5,2&nbsp;K) und eine Dichte von 0,0696&nbsp;g/cm<sup>3</sup>.<ref name="römppol" />

{{Mehrere Bilder
| align       = center
| Fußzeile    = Helium-[[Gasentladungsröhre]]n verschiedener Bauformen
| Breite1     = 218
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| Bild3       = Angeregtes Helium 3.jpg
| Untertitel3 = Das Isotop 3-He im angeregten Zustand
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| Bild1       = Helium discharge tube.jpg
| Bild2       = HeTube.jpg
}}

==== Im flüssigen Zustand ====
===== Helium I =====
Bei Normaldruck bildet Helium zwischen dem [[Lambdapunkt]] bei 2,1768&nbsp;K und dem Siedepunkt bei 4,15&nbsp;K eine farblose Flüssigkeit.

===== Helium II =====
Flüssiges <sup>4</sup>He entwickelt unterhalb seines Lambdapunktes sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Helium mit diesen Eigenschaften wird als ''Helium&nbsp;II'' bezeichnet.

Helium II ist ein [[Suprafluidität|suprafluider]] Stoff. So fließt es etwa durch kleinste Öffnungen in Größenordnungen von 10<sup>−7</sup>&nbsp;bis&nbsp;10<sup>−8</sup>&nbsp;m und hat keine messbare [[Viskosität]]. Jedoch konnte bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben eine Viskosität ähnlich der von gasförmigem Helium festgestellt werden. Dieses Phänomen wird mit dem Zwei-Fluid-Modell (rsp. Zwei-Flüssigkeiten-Modell) nach [[László Tisza]] erklärt. Laut dieser Theorie ist Helium&nbsp;II wie ein Gemisch aus <sup>4</sup>He-Teilchen im normalfluiden sowie im suprafluiden Zustand, demnach verhält sich Helium&nbsp;II so, als gäbe es einen Anteil an Heliumatomen mit und einen ohne messbarer Viskosität. Anhand dieser Theorie können viele Phänomene der [[Tieftemperaturphysik|Tiefentemperaturphysik]] wie der „Thermomechanische Effekt“ relativ einfach und klar erklärt werden. Allerdings muss man deutlich darauf hinweisen, dass die zwei Flüssigkeiten weder theoretisch noch praktisch trennbar sind.<ref name="Tiefentemperaturphysik">Enns, Hunklinger: ''Tiefentemperaturphysik''. 2000, S.&nbsp;13&nbsp;ff.</ref> In Helium II konnten die von [[Lew Dawidowitsch Landau|Lew Landau]] postulierten [[Roton (Physik)|Rotonen]] als kollektive Anregungen nachgewiesen werden.

[[Datei:Helium-II-creep.svg|mini|hochkant=0.72|{{nowrap|[[Onnes-Effekt]] des Helium II}}]]
Helium&nbsp;II zeigt den [[Onnes-Effekt]]: Wenn eine Oberfläche aus dem Helium hinausragt, bewegt sich das Helium auf dieser Fläche gegen die Schwerkraft. Helium&nbsp;II entweicht auf diese Weise aus einem Behälter, der nicht versiegelt ist. Wenn es einen wärmeren Bereich erreicht, verdunstet es. Aufgrund dieses Kriechverhaltens und der Fähigkeit des Heliums&nbsp;II, selbst durch kleinste Öffnungen auszulaufen, ist es sehr schwierig, flüssiges Helium in einem begrenzten Raum zu halten. Es ist ein sehr sorgfältig zu konstruierender Behälter nötig, um Helium&nbsp;II aufzubewahren, ohne dass es entweicht oder verdunstet.

Die Wärmeleitfähigkeit von Helium&nbsp;II lässt sich nicht mit der klassischen Wärmeleitung vergleichen, sie weist eher Parallelen zum Wärmetransport mittels Konvektion auf. Dadurch ist ein schneller und effektiver Wärmetransport über weite Distanzen möglich, was bei klassischer Wärmeleitung selbst mit sehr guten Wärmeleitern nicht möglich ist. Diese Art der Leitung wird auch als [[zweiter Schall]] bezeichnet, da er genauso wie Schall durch eine longitudinale [[Wellengleichung]] beschrieben werden kann:
Helium&nbsp;II bei 1,8&nbsp;K leitet Wärme als Impuls mit einer Geschwindigkeit von 20&nbsp;m/s.

1971 gelang [[David M. Lee]], [[Douglas D. Osheroff]] und [[Robert C. Richardson]], das Helium-[[Isotop]] <sup>3</sup>He ebenfalls in einen suprafluiden Zustand zu versetzen, indem sie das Isotop unter die Temperatur von 2,6&nbsp;Milli-Kelvin abkühlten. Dabei geht man davon aus, dass zwei Atome <sup>3</sup>He ein Paar bilden, ähnlich einem [[Cooper-Paar]]. Dieses Paar besitzt ein magnetisches Moment und einen [[Drehimpuls]]. Die drei Wissenschaftler erhielten für diese Entdeckung 1996 den [[Nobelpreis für Physik]].

==== In festem Zustand ====
Helium kann als einziger Stoff unter Normaldruck nicht verfestigt werden. Dies gelingt nur unter erhöhtem Druck (etwa 2,5&nbsp;MPa/0&nbsp;K bei Helium-4, 2,93&nbsp;MPa/0,315&nbsp;K bei Helium-3) und bei sehr niedriger Temperatur (weniger als 1,5&nbsp;K). Der beim [[Phasenübergang]] entstehende, fast vollkommen durchsichtige Feststoff ist sehr stark komprimierbar. Im Labor kann dessen Volumen um bis zu 30 % verringert werden; Helium ist mehr als 50-mal leichter komprimierbar als Wasser. Im festen Zustand bildet es kristalline Strukturen aus. Festes und flüssiges Helium sind optisch kaum voneinander zu unterscheiden, da ihre [[Brechungsindex|Brechungsindizes]] fast gleich sind.

In einem anderen Fall kann bei Unterschreiten von etwa 200&nbsp;mK und gleichzeitigem Zentrifugieren ein Zustand erreicht werden, der [[Suprasolidität|suprasolid]] oder auch suprafest heißt.<ref>{{Literatur |Autor=Angelika Leute |Titel=Atomphysik: Suprafestes Helium entdeckt |Sammelwerk=Physik in unserer Zeit |Band=35 |Nummer=6 |Verlag=WILEY-VCH |Ort=Weinheim |Datum=2004 |Seiten=261 |DOI=10.1002/piuz.200490097}}</ref> Hierbei stoppt ein Teil des Feststoffes die eigene Rotation und durchdringt die restlichen Teile der Materie. Zu diesem teilweise umstrittenen Effekt gibt es noch keine bekannten Thesen oder Theorien.

=== Atomare Eigenschaften ===
Die zwei Elektronen des Heliumatoms bilden die abgeschlossene, kugelsymmetrische Elektronenschale des 1s-[[Atomorbital]]s. Diese Elektronenkonfiguration ist energetisch äußerst stabil, es gibt kein anderes Element mit einer höheren [[Ionisierungsenergie]] und einer geringeren [[Elektronenaffinität]]. Helium ist trotz seiner größeren Elektronenzahl kleiner als Wasserstoff und damit das kleinste Atom überhaupt.

Abhängig von der Spinorientierung der zwei Elektronen des Heliumatoms spricht man vom '''Parahelium''' im Falle von zwei einander entgegengerichteten Spins (S&nbsp;=&nbsp;0) und von '''Orthohelium''' bei zwei parallelen Spins (S&nbsp;=&nbsp;1). Beim Orthohelium befindet sich eines der Elektronen nicht im 1s-Orbital, da dies das [[Pauli-Verbot]] verletzen würde.

Die Benennung dieser Zustände geht auf einen früheren Irrtum zurück: Da der elektromagnetische Übergang zwischen dem Grundzustand des Orthoheliums und dem Grundzustand des Paraheliums (also dem Helium-Grundzustand) [[Verbotener Übergang|verboten]] ist, erscheinen die beiden „Varianten“ des Heliums spektroskopisch wie zwei unterschiedliche Atome. Dies führte dazu, dass [[Carl Runge]] und [[Friedrich Paschen (Physiker)|Louis Paschen]] postulierten, Helium bestehe aus zwei getrennten Gasen, Orthohelium („richtiges Helium“) und Parahelium (für das sie den Namen Asterium vorschlugen).

Neben der Elektronenkonfiguration des Orthoheliums können die Elektronen&nbsp;– zum Beispiel durch Beschuss mit Elektronen&nbsp;– weitere angeregte Zustände einnehmen. Diese langlebigen angeregten Zustände werden als metastabile [[Energieniveau]]s bezeichnet.

=== Chemische Eigenschaften ===
Helium ist ein [[Edelgase|Edelgas]]. Die einzige Elektronenschale ist mit zwei Elektronen voll besetzt. Beide Elektronen sind durch die räumliche Nähe zum Atomkern sehr stark an diesen gebunden. Nicht zuletzt deswegen ist Helium selbst im Vergleich zu anderen Edelgasen ausgesprochen reaktionsträge. Das zeigt sich auch an den hohen Ionisierungsenergien des Heliumatoms.

==== Helium-Dimer ====
Wie anhand des Molekülorbital-Schemas ersichtlich wird, bilden Helium-Atome untereinander keine [[chemische Bindung]]. Beim Helium ist das 1s-Orbital mit einem Elektronenpaar besetzt. Bei der Kombination zweier dieser voll besetzten [[Atomorbital]]e (a) und (b) ist sowohl das bindende als auch das antibindende [[Molekülorbital]] mit je einem Elektronenpaar besetzt. Bei den sich (hypothetisch) ausbildenden Bindungsorbitalen wird der energetisch günstigere, sog. bindende Zustand durch den ebenfalls besetzten, aber energetisch ungünstigeren Antibindenden kompensiert. Das Gesamtsystem liegt energetisch nicht niedriger, und es kommt keine [[Chemische Bindung|Bindung]] zustande.

:[[Datei:Helium-Orbitale.svg|links|mini|hochkant=1.2|Orbitalbesetzung eines hypothetischen He<sub>2</sub>-Moleküls]]
{{Absatz}}

Aufgrund der für alle Atome und Moleküle wirksamen [[Van-der-Waals-Wechselwirkung]] existiert jedoch bei Helium ein [[Dimer]], allerdings mit einer äußerst kleinen Bindungsenergie von ca. 1,1&nbsp;mK (k<sub>B</sub>T = 1,52&#8239;·&#8239;10<sup>−26</sup>&nbsp;J, k<sub>B</sub>T/e = 9,5&#8239;·&#8239;10<sup>−8</sup>&nbsp;eV)<ref name="Umrechnung_K_Joule">Zur Umrechnung von in Kelvin angegebenen Energieeinheiten in Joule siehe [[Kelvin#Kelvin als Maß für Energie]].</ref> und einem entsprechend großen Bindungsabstand von ca. 52&nbsp;Å.<ref name="Grisenti2000">R. E. Grisenti, W. Schöllkopf, J. P. Toennies, G. C. Hegerfeldt, T. Köhler, M. Stoll: ''Determination of the Bond Length and Binding Energy of the Helium Dimer by Diffraction from a Transmission Grating''. In: ''Phys. Rev. Lett.'', 85, 11, 2000, S.&nbsp;2284–2287; {{bibcode|2000PhRvL..85.2284G}}.</ref>

==== Ionische Bindungen ====
Unter extremen Bedingungen ist es möglich, eine quasichemische Verbindung von Helium mit einem Proton (HeH<sup>+</sup>) zu erzeugen. Diese Verbindung ist bei [[Normalbedingung]]en sehr instabil und kann nicht in Form eines [[Salze]]s wie HeH<sup>+</sup>X<sup>−</sup> isoliert werden.

: <chem>He + H^+ -> HeH^+ </chem>
: <small>In einem Gemisch aus Helium und Wasserstoff bildet sich während einer elektrischen Entladung ein [[Heliumhydrid-Ion]]</small>

Eine entsprechende Reaktion kann zwischen zwei Helium-Atomen ablaufen, wenn die zur Ionisierung notwendige Energie zugeführt wird.

: <chem> He + He -> HeHe^+ + e^- </chem>

Diese Verbindungen können aber nicht als wirkliche chemische Verbindungen bezeichnet werden, sondern eher als ionische Agglomerationen, die unter Ausnahmebedingungen entstehen, nur sehr kurz bestehen und sehr rasch wieder zerfallen.

== Isotope ==
{| class="wikitable float-right"
|+ Verschiedene Eigenschaften der stabilen Heliumisotope
|-
! || <sup>3</sup>He || <sup>4</sup>He
|-
| [[Ruheenergie]] in MeV || 2809 || 3728
|-
| [[Dichte]] in kg/m<sup>3</sup> || 0,134 || 0,178
|-
| [[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|Kritische Temperatur]] in K || 3,32 || 5,20
|-
| [[Lambdapunkt]] in K || 0,0025 || 2,1768
|-
| [[Schmelzdruck]] bei T = 0 K in MPa || 3,439 || 2,536
|-
| [[Siedepunkt]] in K || 3,19 || 4,21
|}

Von den acht bekannten [[Isotop]]en des Heliums (mit jeweils 2 Protonen und 1 bis 8 Neutronen) sind lediglich [[Helium-3|<sup>3</sup>He]] und <sup>4</sup>He stabil. In der Erdatmosphäre existiert pro Million <sup>4</sup>He-Atome nur ein <sup>3</sup>He-Atom. Jedoch variiert die Proportion der beiden Isotope je nach dem Herkunftsort der untersuchten Heliumprobe. Im interstellaren Medium sind <sup>3</sup>He-Atome hundertmal so häufig. In Gesteinen der Erdkruste und des Erdmantels liegt die Proportion ebenfalls weit über dem atmosphärischen Wert und variiert je nach Herkunft um den Faktor&nbsp;10. Diese Variationen werden in der Geologie benutzt, um die Herkunft des Gesteines zu klären (siehe auch Abschnitt [[#Erde|''Erde'']]).

<sup>3</sup>He und <sup>4</sup>He weisen aufgrund der unterschiedlichen Symmetrieeigenschaften (<sup>3</sup>He-Atome sind [[Fermion]]en, <sup>4</sup>He-Atome sind [[Boson]]en) einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, die sich insbesondere bei tiefen Temperaturen zeigen. So trennen sich gleiche Anteile von flüssigem <sup>3</sup>He und <sup>4</sup>He unter 0,8&nbsp;Kelvin aufgrund ihrer unterschiedlichen Quanteneigenschaften in zwei unmischbare Flüssigkeiten, ähnlich Öl und Wasser. Dabei schwimmt eine Phase aus reinem <sup>3</sup>He auf einer Phase, die hauptsächlich aus <sup>4</sup>He besteht. Weiterhin unterscheiden sich die zwei Isotope deutlich in ihren suprafluiden Phasen (siehe Abschnitt ''[[#Helium II|Helium&nbsp;II]]'').

=== Kernfusion ===
In Ankündigungen neuer Raumfahrt-Missionen der USA, Russlands und Chinas, weiterhin auch Europas, Indiens und Japans zum [[Mond]] wurden mehrfach die dortigen anteilig größeren Vorkommen von <sup>3</sup>He als lohnende Quelle genannt, um [[Kernfusionsreaktor]]en auf Basis dieses Isotops auf der Erde zu ermöglichen. Im Gegensatz zur [[Deuterium]]-[[Tritium]]-Fusionsreaktion liefert die Deuterium-<sup>3</sup>He-Reaktion bei ähnlich großem Energiegewinn keine freien [[Neutron]]en, sondern [[Proton]]en. Dies würde die [[Radioaktivität]]sprobleme der Fusionsenergiegewinnung dramatisch verringern. Andererseits ist die Herbeiführung dieser Reaktion wegen der nötigen viel höheren Plasmatemperatur eine noch ungelöste technische Herausforderung.<ref name="TP-Mond">[https://www.heise.de/tr/artikel/Energie-vom-Mond-280259.html ''Energie vom Mond''.] heise.de/tr, 31. August 2007.</ref>

=== Hypothetisches Diproton ===
Ein fiktives Isotop des Heliums ist <sup>2</sup>He, dessen Kern, das [[Diproton]], kein Neutron enthielte, sondern lediglich aus zwei Protonen bestünde. Für ein System aus zwei Protonen gibt es jedoch keinen gebundenen Zustand, da sich diese wegen des [[Pauli-Prinzip]]s&nbsp;– im Gegensatz zum Proton und Neutron beim [[Deuteron]]&nbsp;– nur in einem [[Singulett|Singulett-Zustand]] mit antiparallelen Spins befinden dürfen. Auf Grund der starken Spinabhängigkeit der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung ist dieser aber energetisch angehoben und daher nicht gebunden.

== Verwendung und Handelsformen ==
[[Datei:Henelaserschema.svg|mini|hochkant=1.2|Prinzipaufbau eines [[Helium-Neon-Laser]]s]]

Das im Großhandel angebotene Helium stammt weltweit aus Großanlagen in fünf Ländern ([[USA]], [[Russland]], [[Polen]], [[Katar]] und [[Algerien]]<ref name="LindeTech">{{Internetquelle |url=http://www.the-linde-group.com/internet.global.thelindegroup.global/de/images/6105899016_10186.pdf |titel=Kaltes Gas – heiss begehrt |werk=Linde Technology, #1, 2008 |hrsg=Linde AG |seiten=11–15 |datum=2008 |format=PDF |archiv-url=https://web.archive.org/web/20140317080629/http://www.the-linde-group.com/internet.global.thelindegroup.global/de/images/6105899016_10186.pdf |archiv-datum=2014-03-17 |abruf=2014-09-13}}</ref>), die Gewinnung von Helium erfolgt aus Erdgas.

Ausgeliefert im Bereich [[Technische Gase]] wird Helium in Form von verdichtetem Gas in Druckflaschen mit 200 bar Druck und Reinheitsgraden von Helium 4.6 (99,996 % Heliumanteil) bis zu hochreinem Helium 7.0 (99,99999 % Heliumgehalt).<ref>{{Internetquelle |url=https://produkte.linde-gase.de/db_neu/helium_7.0.pdf |titel=Helium 7.0 Datenblatt |format=PDF |abruf=2018-07-22}}</ref> Stahlflaschen mit typisch 10–50 Liter Volumen enthalten bei 200 bar nur 1,8 bis 9,1&nbsp;Normkubikmeter Helium, da es sich bei 200&nbsp;bar schon deutlich [[Ideales Gas|nichtideal]] verhält. Größere Mengen werden in Paletten zu je zwölf Flaschen oder Flaschenbündeln zu ebenfalls je zwölf 50-Liter-Flaschen geliefert. Noch größere Mengen kommen tiefkalt flüssig in Kryo-Sattelaufliegern oder [[Tube Trailer]]n mit typisch zehn 12&nbsp;m langen Rohren gefüllt mit etwa 200&nbsp;bar Helium, in Summe 5000 Normkubikmeter.<ref>[https://cmwelding.com/configuration/helium-he-tube-trailer-10-tubes-dot-3t-2850psi-40-ft Helium Tube Trailer - 10 Tubes DOT 3T 2850 psi 40 ft.] cmwelding.com; abgerufen am 30. Oktober 2019.</ref>

Helium wird tiefkalt verflüssigt in Kryo-Schiffen transportiert, etwa von einer Produktionsstätte in Afrika zu einem Hafen westlich nahe bei [[Marseille]]. Helium für Endverbraucher wird im Handel mit geringer Reinheit von ca. 98 % bis über 99 % primär in Form von Einweggasflaschen als „Ballongas“ angeboten, um damit auf Veranstaltungen und Feiern einfach und gefahrlos kleinere Mengen von Luftballons aufblasen und aufsteigen lassen zu können.<ref name="ballongas">{{Internetquelle |url=https://shop.linde-gas.de/shop/LINDownloadSafetyDataSheets?catalogId=3074457345616681318&langId=-3&storeId=715845184&fromMSDS=true&filename=SDS_TG_8339_DE_DE.PDF |titel=EG Sicherheitsdatenblatt GA342 Ballongas |hrsg=The Linde Group |format=PDF |abruf=2018-07-22}}</ref> Ballongas kann grundsätzlich auch als [[Traggas]] für größere Ballone wie [[Wetterballon]]e eingesetzt werden, ist aber im Vergleich zu [[Wasserstoff]] in dieser Anwendung teurer.

Helium wird vielseitig verwendet:
* Helium-[[Sauerstoff]]-Gemisch (80:20) dient in der Intensivmedizin als Atemgas. Das Gemisch strömt mit geringerem Widerstand durch Verengungen und lässt sich daher leichter atmen.
* Beim professionellen [[Tauchen]] werden verschiedene Gemische mit Helium wie [[Trimix]] (bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium), [[Hydreliox]] (Wasserstoff, Helium und Sauerstoff) und [[Heliox]] (Helium und Sauerstoff) als [[Atemgas]] verwendet. Nachteilig wirkt sich hier die hohe Wärmekapazität des Heliums aus, was (bei kalter Umgebung) zum Auskühlen der Lunge und damit des Tauchers führt.<ref>''Technisches Tauchen''. In: ''[[Unterwasser (Zeitschrift)|Unterwasser]]'', Ausgabe 05/2010 vom 13. April 2010.</ref><ref>spez. Wärmekapazität von He / N<sub>2</sub> / O<sub>2</sub> = 5193 / 1040 / 920 J/(kg · K) = ca. 5 : 1 : 0,95 (bei 298 K).</ref>
* In der [[Lebensmittelindustrie]] wird es als Treibgas oder Packgas verwendet und ist als [[Lebensmittelzusatzstoff]] [[Liste der Lebensmittelzusatzstoffe#Liste der Zusatzstoffe mit E-Nummer und/oder INS|E&nbsp;939]] zugelassen.<ref>{{EU-Verordnung|2008|1333|konsolidiert=2022-10-31}}</ref>
* Helium ist ein bevorzugtes [[Traggas]] für [[Gasballon|Ballons]] und [[Luftschiff]]e, denn es hat eine im Vergleich zu Luft sehr geringe Dichte, brennt nicht und kann daher gefahrlos mit Luft vermischt werden. Helium hat deshalb den brennbaren [[Wasserstoff]], der mit Luft explosiv entzündliche Mischungen bildet, weitgehend verdrängt, auch wenn die Dichte von Helium höher und damit seine Tragkraft etwas niedriger als die des Wasserstoffs ist. Allerdings ist aufgrund der hohen Diffusionsrate die Anforderung an die Dichtheit der Hülle höher als bei allen anderen Gasen.
* In der [[Schutzgasschweißen|Schweißtechnik]] wird Helium in Reinform oder als Zumischung als [[Inertgas]] eingesetzt, um die Schweißstelle vor [[Sauerstoff]] zu schützen. Zudem lässt sich mit Helium die Einbrenntiefe und die Schweißgeschwindigkeit steigern sowie die Bildung von Spritzern verringern, insbesondere bei Roboterschweißungen und bei der Verarbeitung von [[Aluminium]] und rostfreien Stählen.
* Technisch wird verflüssigtes Helium (die Isotope <sup>4</sup>He und <sup>3</sup>He) als [[Kühlmittel]] zum Erreichen sehr tiefer [[Temperatur]]en eingesetzt (''siehe dazu:'' [[Kryostat]]). Mit <sup>4</sup>He lassen sich durch Verdampfungskühlen Temperaturen bis etwa 1&nbsp;K erreichen, mit dem Isotop <sup>3</sup>He bis etwa 240&nbsp;mK.<ref name="Temperaturen">Jens Wiebe: [https://www.physnet.uni-hamburg.de/services/biblio/dissertation/dissfbPhysik/___Kurzfassungen/Jens_Bernhard_Reinhold___Wiebe.htm ''Aufbau einer 300-mK-Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskopie-Anlage mit 14-T-Magnet und Untersuchung eines stark ungeordneten zweidimensionalen Elektronensystems''.] Dissertation, Universität Hamburg, 2003. S.&nbsp;17; {{Webarchiv |url=http://www3.physnet.uni-hamburg.de/services/fachinfo/___Volltexte/Jens_Bernhard_Reinhold___Wiebe/Jens_Bernhard_Reinhold___Wiebe.pdf |text=physnet.uni-hamburg.de |format=PDF; 7,4&nbsp;MB |wayback=20160827042229}} S.&nbsp;23.</ref> Mit dem Verfahren der [[3He-4He-Mischungskühlung|<sup>3</sup>He-<sup>4</sup>He-Mischungskühlung]] werden bis etwa 5&nbsp;mK erreicht,<ref name="Temperaturen" /> wobei dieses Verfahren deutlich kostengünstiger als eine reine <sup>3</sup>He-Kühlung ist. Beim Einsatz von [[Supraleitung|supraleitenden]] [[Magnet]]en dient Helium als Kühlmittel, um damit den [[Supraleiter]] unter seiner [[Sprungtemperatur]] zu halten. Praktische Anwendungen sind hier besonders die [[Kernspintomographie]] (MRT) für medizinische Anwendungen sowie die [[Magnetresonanzspektroskopie]] (MRS) und der Betrieb von [[Synchrotron|Teilchenbeschleunigern]] in der Forschung. In der Raumfahrt kühlt flüssiges Helium Infrarotteleskope und die hochempfindlichen Infrarotkameras in Weltraumteleskopen, die nur nahe dem Absoluten Nullpunkt ohne zu stark störende Eigenwärme arbeiten können. Beispiele sind [[Infrared Astronomical Satellite|IRAS]], das [[Spitzer-Weltraumteleskop|Spitzer]]- und das [[James-Webb-Weltraumteleskop]]. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von [[Lichtwellenleiter|optischen Glasfasern]] in heliumgekühlten Falltürmen.
* Komprimiertes Heliumgas kann als Kühlmittel eingesetzt werden, insbesondere dort, wo ein chemisch wie auch kernphysikalisch besonders inertes Kühlmittel benötigt wird. Kernphysikalisch inert ist allerdings nur die Hauptkomponente <sup>4</sup>He, während <sup>3</sup>He durch thermische Neutronen leicht in radioaktives [[Tritium]] überführt wird. Als Beispiel sei der [[Thorium-Hochtemperaturreaktor]] (kurz: THTR) genannt, wo das Helium bei sehr hohen Temperaturen verwendet wurde. Zu beachten ist, dass Helium zwar eine hohe spezifische, aber eine niedrige molare [[Wärmekapazität]] besitzt. Dies ist insbesondere bei geschlossenen Apparaturen problematisch, da es im Falle eines Temperaturanstiegs (zum Beispiel bei Stromausfall) schnell zu einer massiven Druckerhöhung kommt. Als nachteilig bei der Anwendung als Kühlmittel hat sich die (wie bei allen Gasen) mit steigender Temperatur zunehmende Viskosität von Helium erwiesen, da das die Kühlung heißer Bereiche verschlechtern kann.
* Die [[Dichtheitsprüfung#Prüfverfahren mit Helium|Suche nach Undichtigkeiten]] in Druckgasarmaturen wird durch eine Befüllung mit Helium erleichtert. Außen an der Druckarmatur wird ein [[Lecksuchspray]] aufgebracht. Helium dringt besonders leicht durch Leckstellen und erzeugt deutlichere Schaumblasen als das Betriebsgas.
* Bei Vakuumanlagen wird Helium als diffusionsfreudigstes Lecksuchgas eingesetzt, indem die Vakuumapparatur mit einer Pumpe evakuiert wird und ein [[Massenspektrometer]] hinter die Pumpe gehängt wird. Wird nun die Apparatur&nbsp;– außen, nur lokal um Leckstellen zu finden&nbsp;– mit Helium angeblasen, kann mit Hilfe des Massenspektrometers ein eventueller Heliumeintritt in die Apparatur detektiert und die [[Leckrate]] gemessen werden. Diese rasche und empfindliche Lecksuchmethode wird an Chemieanlagen und bei der Fertigung von Wärmetauschern für [[Klimaanlage]]n oder Benzintanks für Autos benutzt.
* Helium wird in Gasform in der [[Raketentechnik]] eingesetzt, um bei pumpgeförderten Flüssigtreibstoffraketen den verbrauchten Treibstoff zu ersetzen, damit die dünnwandigen Treibstofftanks der Raketen nicht implodieren, wenn der Treibstoff von den Treibstoffpumpen der Triebwerke aus den Tanks gesaugt wird. Bei druckgasgeförderten Flüssigtreibstoffraketen drückt Helium den Treibstoff in die Triebwerke. Helium wird hier wegen seines niedrigen Gewichtes und seiner niedrigen Siedetemperatur benutzt. Da es als Edelgas nicht mit dem Treibstoff reagieren kann, stellen auch aggressive [[hypergol]]ische [[Raketentreibstoff|Treibstoffe]] kein Problem dar.
* Helium wird als Hilfsgas in verschiedenen Lasertypen eingesetzt, zum Beispiel dem [[Helium-Neon-Laser]], dem [[Helium-Cadmium-Laser]] sowie einiger Typen des [[Kohlendioxidlaser]]s. Es dient als Stoßpartner zur An- oder Abregung der Laserniveaus der eigentlichen aktiven Lasermedien.
* Reinsthelium dient als Trägergas in der [[Gaschromatographie]] (Analytik).
* In [[Gasentladungsröhre]]n leuchtet Helium gelblich/weiß.
* Aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften ist Helium ein sehr gutes Arbeitsmedium für [[Stirlingmotor]]en.
* [[Hyperpolarisation (Physik)|Hyperpolarisiertes]] <sup>3</sup>He wird in der [[Diagnostik]] versuchsweise als Kontrastmittel für kernspintomografische Aufnahmen der Lunge verwendet.
* Statt Druckluft zum Antrieb von [[Druckluftschrauber]]n beim Radwechsel im [[Formel 1|Formel-1]]-Automobilsport. Damit konnten diese bei einem bestimmten Druck um 30 % schneller betrieben werden. Um Kosten zu vermeiden, ab 2012 per Reglement verboten.<ref>[http://www.motorsport-total.com/f1/splitter/2011/11/Helium-Verbot_in_Schlagschraubern_geplant_11110301.html ''Helium-Verbot in Schlagschraubern geplant''.] motorsport-total.com; abgerufen am 10. November 2011.</ref><ref>[http://www.auto-motor-und-sport.de/formel-1/f1-reglement-2012-whiting-erklaert-die-neuen-regeln-4517418.html Formel 1-Reglement 2012, Whiting erklärt die neuen Regeln.] auto-motor-und-sport.de, November 2011; abgerufen am 29. April 2015.</ref>
* Bei [[Festplattenlaufwerk]]en reduziert die Füllung mit Helium statt Luft Strömungseffekte und Vibrationen im Betrieb und erlaubt so kleinere Abstände der einzelnen Magnetscheiben voneinander. Bei gleicher Baugröße können dadurch mehr Magnetscheiben untergebracht und die Speicherkapazität der Festplatte dadurch erhöht werden.<ref>{{Internetquelle |autor=Christof Windeck |url=https://www.heise.de/newsticker/meldung/Erste-6-Terabyte-Festplatte-kommt-mit-Helium-Fuellung-2039250.html |titel=Erste 6-Terabyte-Festplatte kommt mit Helium-Füllung |werk=[[heise online]] |datum=2013-11-04 |abruf=2019-05-11}}</ref>

== Gefahren ==
Helium als [[Inertgas]] ist ungiftig. Größeren Mengen gasförmigen Heliums können durch Verdrängen des Luftsauerstoffs erstickend wirken. Die Unfallzahlen sind durch die geringe Dichte gering, da es sofort aufsteigt und sich nicht in Mulden sammelt. Potentielle Gefahrenbereiche können Ansammlungen von Heliumgas in nach oben dichten baulichen Strukturen sein, beispielsweise Dachstühle, unter denen sich eine „Heliumblase“ bilden kann.<ref name="a">{{Internetquelle |url=http://www.linde-gas.com/en/legacy/attachment?files=tcm:on17-13909,tcm:n17-13909,tcm:17-13909 |titel=Hazards of inert gases and oxygen depletion |hrsg=European Industrial Gases Association AISBL |datum=2009 |abruf=2018-07-21 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20190531223925/http://www.linde-gas.com/en/legacy/attachment?files=tcm:on17-13909,tcm:n17-13909,tcm:17-13909 |archiv-datum=2019-05-31 |offline=ja }}</ref>

Beim Hantieren mit Flüssig-Helium ([[UN-Nummer]] UN 1963) ist die Verwendung von Schutzkleidung notwendig, um Erfrierungen durch Kontakt zu verhindern. Die Gefahr geht im Wesentlichen von tiefgekühlten Behältern, Apparaturen und Armaturen bzw. durch die Vorkühlung durch [[Flüssigstickstoff|LN<sub>2</sub>]] aus, da Flüssig-Helium selbst nur eine extrem geringe Kühlleistung (220 ml LHe hat die Kühlleistung von 1 ml LN<sub>2</sub>) hat. Eine [[Schutzbrille]] schützt die Augen oder ein [[Visier (Helm)|Visier]] das ganze Gesicht, dichte Handschuhe einer gewissen Dicke und mit Stulpe die Hände. Weitere Gefahren gehen durch Vereisung und damit verbundener Verstopfung und Explodieren von Leitungen und Gefäßen aus.

Heliumdruckgasbehälter – meist nahtlose [[Gasflasche|Stahlzylinder]] für 200&nbsp;bar Hochdruck oder aber geschweißte (oft: Einweg-)Flaschen – stehen unter hohem Druck. Ihr Erhitzen über den Richtwert von 60&nbsp;°C oder Kontakt mit Feuer ist strikt zu vermeiden. Denn einerseits steigt der Innendruck mit der Temperatur und andererseits nimmt die Festigkeit der Stahlwandung ab, sodass ein sehr energisches Platzen des Gefäßes droht. Auch das Abreißen des Ventils, etwa wenn eine Flasche ohne Schutzkappe fällt, oder das Brechen einer [[Berstscheibe]] löst einen Gasstrahl mit gefährlichen Folgen aus.

== Sonstiges ==
Befindet sich im Bereich des Nasen-Rachen-Raumes statt Luft ein Helium-Luft-Gemisch, klingt die menschliche Stimme erheblich höher. (Populär wird dieser Effekt „[[Micky Maus|Micky-Maus]]-Stimme“ genannt, die allerdings durch schnelleres Abspielen von [[Tonband]], also Erhöhung ''aller'' Frequenzen (und des Tempos) um einen bestimmten Faktor erzielt wurde.) Die Klangfarbe einer Stimme hängt dagegen von der Lage der [[Formant]]en im Mundraum ab, die durch Faktoren wie Zungen- und Lippenstellung beeinflusst werden. (Formanten sind diejenigen Frequenzbereiche, die am stärksten durch [[Resonanz (Physik)|Resonanzwirkung]] verstärkt werden.) Diese Formanten hängen auch von der Schallgeschwindigkeit ''c'' im entsprechenden Medium ab (Luft: 353&nbsp;m/s, Helium: 1011&nbsp;m/s)<ref>bei Körpertemperatur von 37 °C</ref>. Beträgt zum Beispiel die Lage der ersten drei Formanten in Luft 220, 2270&nbsp;und 3270&nbsp;Hz, so ändert sich dies in (reinem) Helium zu 630, 6500&nbsp;und 9360&nbsp;Hz. Dadurch ergibt sich ein anderes Stimmbild und die Stimme erscheint insgesamt höher, selbst wenn die Höhe des [[Stimmton]]es durch Helium unverändert bliebe.

Einen ähnlichen Effekt gibt es, wenn ein (anfangs nur luftgefülltes) Blasinstrument mit Helium angeblasen wird.

<!-- == Siehe auch == -->
== Literatur ==
* P. Häussinger, R. Glatthaar, W. Rhode, H. Kick, C. Benkmann, J. Weber, H.-J. Wunschel, V. Stenke, E. Leicht, H. Stenger: ''Noble Gases.'' In: ''[[Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]].'' Wiley-VCH, Weinheim 2006 ([[doi:10.1002/14356007.a17_485]]).
* {{Holleman-Wiberg |Auflage=102 |Startseite=417 |Endseite=429}}
* F. A. Cotton, G. Wilkinson, C. A. Murillo, M. Bochmann: ''Advanced Inorganic Chemistry''. Kap. 18. D. Wiley, New York <sup>6</sup>1999, ISBN 0-471-19957-5, S.&nbsp;974.
* Christoph Haberstroh:  ''Flüssigheliumversorgung''. TUDpress, Dresden 2010, ISBN 978-3-941298-77-4.
* C. E. Housecroft, A. G. Sharpe: ''Inorganic Chemistry''. Kapitel 22.8a. Pewson, Prentice Hall 2005, ISBN 0-13-039913-2. S.&nbsp;666.
* Ekkehard Fluck, Klaus G. Heumann: ''Periodensystem der Elemente, Tafel''. Wiley-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30716-8.
* R. B. King (Hrsg.): ''Encyclopedia of Inorganic Chemistry''. Band&nbsp;8. D. Wiley, New York 1994, ISBN 0-471-93620-0. S.&nbsp;4094.

== Weblinks ==
{{Commonscat}}
{{Wiktionary}}
{{Wikibooks|Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Helium}}
* [http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/helium/heliumcs06.pdf Jahresbericht des Bureau of Land Management] (englisch, PDF, 76&nbsp;KiB)
* [http://ltl.tkk.fi/research/theory/helium.html Low Temperature Laboratory Helsinki] (englisch)
* [https://www.scinexx.de/news/geowissen/unmoegliches-helium-mineral-im-erdinneren/ ''„Unmögliches“ Helium-Mineral im Erdinneren?''] scinexx.de, 9. Januar 2019

== Einzelnachweise ==
<references responsive />

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{{Exzellent|14. November 2005|10797490}}

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[[Kategorie:Lebensmittelzusatzstoff (EU)]]
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