Ге́лий (химический символ — He, лат. Helium) — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы, VIIIA)[4] первого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 2 и атомной массой 4,002602(2) а.е.м.[1]. Простое вещество гелий — инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. По распространённости во Вселенной и по лёгкости занимает второе место после водорода. Его температура кипения — самая низкая среди всех известных веществ.

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелёно-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Жансен немедленно написал об этом во Французскую академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов[5][6]. Спустя два месяца, 20 октября, английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно — 587,56 нм), он обозначил её D3, так как она была очень близко расположена к фраунгоферовым линиям D1 (589,59 нм) и D2 (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер совместно с английским химиком Эдуардом Франклендом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч. ἥλιος — «солнце»)[6]. Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещёнными ветвями лавра, а на другой — изображение мифологического бога света Аполлона, правящего в колеснице четвёркой коней, скачущей во весь опор[6]. В 1881 году итальянец Луиджи Пальмьери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах фумарол. Он исследовал светло-жёлтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмьери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Учёные круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмьери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарольных газов действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона[6]. Через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому учёному-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло[6]. Шведские химики П. Клеве и Н. Ленгле смогли выделить из клевеита достаточно газа, чтобы установить атомный вес нового элемента[7][8]. В 1896 году Генрих Кайзер, Зигберт Фридлендер, а в 1898 году Эдвард Бэли окончательно доказали присутствие гелия в атмосфере[6][9][10]. Ещё до Рамзая гелий выделил также американский химик Фрэнсис Хиллебранд (англ. Hillebrand), однако он ошибочно полагал, что получил азот[10][11], и в письме Рамзаю признал за ним приоритет открытия. Исследуя различные вещества и минералы, Рамзай обнаружил, что гелий в них сопутствует урану и торию. В 1906 году Э. Резерфорд и Т. Ройдс установили, что альфа-частицы радиоактивных элементов представляют собой ядра гелия[12]. Эти исследования положили начало современной теории строения атома[13]. График зависимости теплоёмкости жидкого гелия-4 от температуры В 1908 году нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий. Он использовал дросселирование (см. Эффект Джоуля — Томсона), после того как газ был предварительно охлаждён в кипевшем под вакуумом жидком водороде. Попытки получить твёрдый гелий ещё долго оставались безуспешными даже при температуре в 0,71 K, которую достиг ученик Камерлинг-Оннеса — немецкий физик Виллем Хендрик Кеезом. В 1926 году, применив давление выше 35 атм и охладив сжатый гелий в кипящем под разрежением жидком гелии, он выделил кристаллы[14]. В 1932 году Кеезом исследовал характер изменения теплоёмкости жидкого гелия с температурой. Он обнаружил, что около 2,19 K медленный и плавный подъём теплоёмкости сменяется резким падением, и кривая теплоёмкости приобретает форму греческой буквы λ (лямбда). Отсюда температуре, при которой происходит скачок теплоёмкости, присвоено условное название «λ-точка»[14]. Более точное значение температуры в этой точке, установленное позднее, — 2,172 K. В λ-точке происходят глубокие и скачкообразные изменения фундаментальных свойств жидкого гелия — одна фаза жидкого гелия сменяется в этой точке на другую, причём без выделения скрытой теплоты; имеет место фазовый переход II рода. Выше температуры λ-точки существует так называемый гелий-I, а ниже её — гелий-II[14].

Гелий — практически инертный химический элемент. Простое вещество гелий нетоксично, не имеет цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях представляет собой одноатомный газ. Его точка кипения (T = 4,215 K для 4 He) наименьшая среди всех веществ; твёрдый гелий получен лишь при давлениях выше 25 атмосфер — при атмосферном давлении он не переходит в твёрдую фазу даже при абсолютном нуле. Гелий 3Не и 4Не не имеют основной тройной точки (в которой равновесные фазы находятся в различных агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном) — в обоих случаях линии равновесия твёрдой фазы с жидкими (Не I и Не II) и жидких фаз с газообразной нигде не пересекаются: твёрдая фаза находится в равновесии только с жидкой[35][36][37]. Другие вещества с такой особенностью неизвестны[36]. Наличие на фазовой диаграмме гелия кривой сосуществования твёрдой и жидкой фаз и отсутствие на диаграмме кривой сосуществования твёрдой и газовой фаз означает, что твёрдый гелий может плавиться, но не может испаряться[38]. Стандартная атомная масса гелия принята равной 4,002602(2) а.е.м., однако в различных природных источниках в связи с различным изотопным содержанием гелия-3 атомная масса может варьировать в пределах 4,0026 ± 0,0002 а.е.м.[1]

Гелий — наименее химически активный элемент 18-й группы (инертные газы) и вообще всей таблицы Менделеева[52]. Для создания немногочисленных химических соединений гелия необходимы экстремальные условия. Все химические соединения гелия (как и аргона, неона) существуют только в виде так называемых эксимерных молекул (крайне нестабильных), у которых устойчивы возбуждённые электронные состояния и неустойчиво основное состояние. Гелий образует двухатомные молекулы He+ 2, фторид HeF, хлорид HeCl (эксимерные молекулы образуются при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на смесь гелия с фтором или хлором). Все эти соединения нестабильны при нормальных условиях. Также существует возможность связи атома гелия силами Ван-дер-Ваальса, например, с молекулой фуллерена или с атомом неона, однако в таких структурах другие атомы не влияют на электронную структуру атома гелия[53][54]. В 2013 году вышла работа международного коллектива учёных под руководством А. Р. Оганова о теоретической возможности существования соединения гелия с натрием состава Na2He при давлениях выше 113 ГПа (наиболее стабильная структура Na2He обнаружена при 300 ГПа, доказана механическая стабильность этого соединения до 500 ГПа[55]), а также на алмазных наковальнях на практике доказано существование данного соединения, которое представляет собой электрид, с локализованными в междоузлиях электронными парами, образующими восьмицентровые двухэлектронные связи внутри пустых кубов Na8. Также предсказано существование Na2HeO с аналогичной структурой при давлениях выше 15 ГПа[56]. Известны и иные соединения гелия, все они стабильны только при сверхвысоких давлениях — Li5He2[57], соединения гелия с азотом[58]. Существуют теоретические работы, предсказывающие существование соединений гелия с железом (например FeHe2) в недрах планет-гигантов и белых карликов[59], а учёт устойчивости соединений гелия с кремнием (HeSiO2) при давлениях 600—4000 ГПа поможет создавать более сложные внутренние модели планет-гигантов[60]. Энергия связи молекулярного иона гелия He+ 2 составляет 58 ккал/моль, равновесное межъядерное расстояние — 1,09 Å[61].