Les scientifiques ont compris depuis un certain temps que les éléments les plus abondants dans l’Univers sont des gaz simples comme l’hydrogène et l’hélium. Ceux-ci constituent la grande majorité de sa masse observable, éclipsant tous les éléments les plus lourds combinés (et par une large marge). Et entre les deux, l’hélium est le deuxième élément le plus léger et le deuxième plus abondant, étant présent dans environ 24% de la masse élémentaire de l’Univers observable.

Alors que nous avons tendance à considérer l’hélium comme le gaz hilarant qui fait des choses étranges à votre voix et permet aux ballons de flotter, c’est en fait une partie cruciale de notre existence. En plus d’être un composant clé des étoiles, l’hélium est également un constituant majeur des géantes gazeuses. Cela est dû en partie à son énergie de liaison nucléaire très élevée, ainsi qu’au fait qu’elle est produite à la fois par la fusion nucléaire et la désintégration radioactive. Et pourtant, les scientifiques ne connaissent son existence que depuis la fin du 19ème siècle.

Découverte et dénomination :

La première preuve d’hélium a été obtenue le 18 août 1868 par l’astronome français Jules Janssen. Alors qu’il était à Guntur, en Inde, Janssen a observé une éclipse solaire à travers un prisme, après quoi il a remarqué une raie spectrale jaune vif (à 587,49 nanomètres) émanant de la chromosphère du Soleil. À l’époque, il pensait qu’il s’agissait de sodium, car il était proche des lignées Fraunhofer D1 et D2.

Le 20 octobre de la même année, l’astronome anglais Norman Lockyer a observé une ligne jaune dans le spectre solaire (qu’il a nommée la ligne de Fraunhofer D3) qu’il a conclu être causée par un élément inconnu du Soleil. Lockyer et le chimiste anglais Edward Frankland ont nommé l’élément helios, d’après le mot grec pour le Soleil.

Caractéristiques:

L’hélium est le deuxième atome le plus simple en ce qui concerne son modèle atomique, après l’hydrogène. Il se compose d’un noyau de deux protons et neutrons, et de deux électrons sur des orbites atomiques. La forme la plus courante est l’hélium-4, qui serait le produit de la nucléosynthèse du Big Bang. Cet événement, qui a duré de 10 secondes à 20 minutes après le Big Bang, a été caractérisé par la production de noyaux autres que l’isotope le plus léger de l’hydrogène (c’est-à-dire l’hydrogène-1. qui a un seul proton et un seul noyau).

On pense que cet événement a produit la majorité de l’hélium-4, ainsi que de petites quantités d’isotopes de l’hydrogène, de l’hélium et du lithium. Tous les autres éléments plus lourds ont été créés beaucoup plus tard, à la suite de la nucléosynthèse stellaire. De grandes quantités de nouvel hélium sont créées tout le temps par ce même processus, où la chaleur et la pression au cœur des étoiles provoquent la fusion des atomes d’hydrogène.

Le noyau de l’atome d’hélium-4 est identique à une particule alpha, deux protons liés et des neutrons qui sont produits dans le processus de désintégration alpha (où un élément se désintègre, libérant de la masse et devenant autre chose). L’inertie de l’hélium est due à la stabilité et à la faible énergie de son état de nuage d’électrons, où tous ses électrons occupent entièrement des orbitales 1s par paires, aucun ne possédant de moment angulaire et chacun annule le spin intrinsèque de l’autre.

Cette stabilité explique également le manque d’interaction des atomes d’hélium entre eux, ce qui conduit à l’un des points de fusion et d’ébullition les plus bas de tous les éléments.

Historique d’utilisation:

Pendant un certain temps, on croyait que l’hélium n’existait que dans le Soleil. Cependant, en 1882, le physicien italien Luigi Palmieri a détecté de l’hélium sur Terre lors de l’analyse de la lave du Vésuve après son éruption cette année-là. Et en 1895, alors qu’il cherchait de l’argon, le chimiste écossais Sir William Ramsay a réussi à isoler l’hélium en traitant un échantillon de clevéite avec des acides minéraux. Après avoir traité l’élément avec de l’acide sulfurique, il a remarqué la même raie d’absorption D3.

Ramsey a envoyé des échantillons du gaz à Sir William Crookes et à Sir Norman Lockyer, qui ont vérifié qu’il s’agissait d’hélium. Il a été isolé indépendamment de la cleveite la même année par les chimistes Per Teodor Cleve et Abraham Langlet à Uppsala, en Suède, qui ont pu déterminer avec précision son poids atomique. Au cours des années suivantes, des expériences similaires ont donné les mêmes résultats.

Plusieurs propriétés intéressantes de l’hélium ont été découvertes dans les années qui ont suivi. En 1907, Ernest Rutherford et Thomas Royds ont démontré qu’une particule alpha est en fait un noyau d’hélium. En 1908, l’hélium a été liquéfié pour la première fois par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh On en refroidissant le gaz à moins d’un kelvin. L’élément a finalement été solidifié en 1926 par son élève Willem Hendrik Keesom, qui l’a soumis à 25 atmosphères de pression.

L’hélium a été l’un des premiers éléments à présenter une superfluidité. En 1938, le physicien russe Piotr Leonidovich Kapitsa a découvert que l’hélium-4 n’avait presque aucune viscosité à des températures proches du zéro absolu (superfluidité). En 1972, le même phénomène a été observé dans l’hélium-3 par les physiciens américains Douglas D. Osheroff, David M. Lee et Robert C. Richardson.

Utilisations modernes:

Aujourd’hui, l’hélium est utilisé dans un large éventail d’applications industrielles, commerciales et récréatives. Le plus connu est peut-être le vol, où l’hélium gazeux (étant plus léger que l’air) assure naturellement la flottabilité des dirigeables et des ballons. Comparé à l’hydrogène, qui était également utilisé dans les dirigeables, l’hélium présente l’avantage supplémentaire d’être inflammable et ignifuge.

En raison de ses propriétés uniques – qui comprennent un point d’ébullition bas, une faible densité, une faible solubilité, une conductivité thermique élevée et une inertie élevée – l’hélium est utilisé pour un large éventail d’applications scientifiques et médicales. La plus grande utilisation est dans les applications cryogéniques, où l’hélium liquide agit comme liquide de refroidissement pour les aimants supraconducteurs dans les scanners IRM et les spectromètres.

Une autre utilisation est dans les fusées, où l’hélium est utilisé comme tampon pour déplacer le carburant et les oxydants dans les réservoirs de stockage. Il est également utilisé pour condenser l’hydrogène et l’oxygène en carburant de fusée et en hydrogène liquide pré-refroidi dans les véhicules spatiaux. Le Grand collisionneur de hadrons du CERN repose également sur l’hélium liquide pour maintenir une température constante de 1,9 kelvin.

Grâce à son indice de réfraction extrêmement faible et à la manière dont il réduit les effets de distorsion des variations de température, l’hélium est également utilisé dans les télescopes solaires, la chromatographie en phase gazeuse et dans la « datation à l’hélium », c’est–à-dire la détermination de l’âge des roches contenant des substances radioactives (comme l’uranium et le thorium). En plus de son inertie, de ses propriétés thermiques, de sa vitesse élevée du son et de la valeur élevée de la ration de capacité thermique, il est également utilisé dans les souffleries supersoniques et les installations d’essais aérodynamiques. Il est également utilisé dans le soudage à l’arc et pour la détection de fuites industrielles.