Hélium (Z=2) : vestige du Big Bang et acteur stellaire
Une naissance cosmologique
L’Hélium (symbole He, numéro atomique 2) est le deuxième élément chimique de la classification périodique. Il est formé majoritairement dans les premières minutes après le Big Bang (nucléosynthèse primordiale), et secondairement dans les étoiles. Inerte et léger, il joue un rôle central dans l’évolution stellaire et les technologies cryogéniques.
Contribution de l'hélium aux processus vitaux
L'hélium est un gaz noble chimiquement inerte dans les conditions biologiques usuelles. Il ne participe à aucun processus biochimique vital et ne se lie pas aux molécules biologiques. Toutefois, son utilisation en médecine (par exemple dans les mélanges respiratoires comme l'hélium-oxygène ou heliox) peut faciliter la respiration chez les patients souffrant de troubles obstructifs, en raison de sa faible densité qui réduit le travail respiratoire. Conséquence d’un déficit : Aucune, car l’hélium n’est pas un élément essentiel au métabolisme cellulaire ou aux fonctions biologiques fondamentales.
Histoire de la découverte
1868 : Découverte spectroscopique Lors d’une éclipse solaire, les astronomes Pierre Janssen et Joseph Norman Lockyer détectent une raie jaune inconnue dans le spectre du Soleil, qu’ils attribuent à un nouvel élément : l’hélium, du grec hélios (soleil).
1895 : Isolement sur Terre Sir William Ramsay isole l’hélium à partir du minerai de clevéite. Il confirme que cet élément gazeux est identique à celui observé dans le Soleil.
Structure atomique
Constitution : Deux protons, deux neutrons (pour l'isotope stable ⁴He), et deux électrons. Isotopes :
⁴He : isotope stable le plus abondant (≈99.9999 % naturel).
³He : isotope rare, stable, utilisé en cryogénie et en détection neutronique.
⁵He et plus : isotopes radioactifs, à très courte durée de vie, observés en physique nucléaire expérimentale.
Propriétés physiques
Gaz monoatomique, incolore, inodore, extrêmement léger.
Masse molaire : ≈ 4.0026 g/mol
Point de fusion : ≈ 0.95 K (à haute pression)
Point d’ébullition : 4.22 K (−268.93 °C)
Densité : ~0.1786 g/L
Inerte chimiquement, gaz noble du groupe 18.
Superfluidité observée à basse température (⁴He en dessous de 2.17 K).
Réactivité chimique
Gaz noble : très faible réactivité chimique.
Pas de composés chimiques stables connus à l’état normal.
Des complexes de type van der Waals ou des ions moléculaires HeH⁺ ont été observés en laboratoire et en astrophysique.
Applications industrielles et technologiques
Refroidissement des aimants supraconducteurs (IRM, LHC, fusion nucléaire expérimentale).
En tant qu’atmosphère inerte pour la soudure ou la croissance de cristaux semi-conducteurs.
Pressurisation des réservoirs de carburants cryogéniques en astronautique.
Mélanges respiratoires pour la plongée profonde (hélium-oxygène, heliox).
Détection de fuites et essais de perméabilité (grâce à sa faible taille atomique).
Rôle cosmologique et astrophysique
Hélium primordial : ≈24 % de la masse baryonique après le Big Bang.
Produit par fusion nucléaire dans les étoiles (cycle proton-proton et triple alpha).
Présent dans les nébuleuses planétaires et l’enveloppe externe des géantes rouges.
L’hélium ionisé (He⁺, He²⁺) influence les spectres stellaires et l’opacité des atmosphères.
Enjeux physiques fondamentaux
Le noyau ⁴He (alpha) est un système extrêmement lié, utilisé en physique nucléaire.
⁴He liquide présente des phases quantiques macroscopiques (superfluidité, turbulence quantique).
Utilisé comme traceur en cosmologie pour tester la validité du modèle standard du Big Bang.
³He est étudié pour des applications en détection neutronique et en fusion nucléaire à faible rayonnement.
