Atom helium. Yang digambarkan adalah inti (merah muda) dan distribusi awan elektron (hitam). Inti (kanan atas) dalam helium-4 pada kenyataannya berbentuk bola simetris dan sangat mirip dengan awan elektron, meskipun untuk inti yang lebih rumit hal ini tidak selalu terjadi.
Helium-4 (4He) adalah isotop stabil dari unsur helium. Ini jauh lebih melimpah dari dua isotop helium yang terjadi secara alami, membentuk sekitar 99,99986% helium di Bumi. Intinya identik dengan partikel alfa, dan terdiri dari dua proton dan dua neutron.
Peluruhan alfa unsur-unsur berat di kerak bumi adalah sumber helium-4 paling alami di Bumi, yang dihasilkan setelah planet mendingin dan mengeras. Meskipun juga dihasilkan oleh fusi nuklir di bintang, sebagian besar helium-4 di Matahari dan di alam semesta diperkirakan diproduksi oleh Big Bang, dan disebut sebagai "helium primordial". Namun, helium-4 primordial sebagian besar tidak ada di Bumi, setelah melarikan diri selama fase suhu tinggi pembentukan Bumi.
Helium-4 menyusun sekitar seperempat materi biasa di alam semesta berdasarkan massa, dengan hampir semua sisanya adalah hidrogen.
Ketika helium-4 cair didinginkan hingga di bawah 2,17 kelvin (−271,17 °C), ia menjadi superfluida, dengan sifat yang sangat berbeda dengan cairan biasa. Misalnya, jika superfluida helium-4 disimpan dalam bejana terbuka, film tipis akan naik ke sisi bejana dan meluap. Dalam keadaan dan situasi ini, itu disebut "Rollin film". Perilaku aneh ini adalah hasil dari hubungan Clausius-Clapeyron dan tidak dapat dijelaskan oleh model mekanika klasik saat ini, atau dengan model nuklir atau listrik - ini hanya dapat dipahami sebagai fenomena mekanika kuantum. Putaran total dari inti helium-4 adalah bilangan bulat (nol), dan oleh karena itu merupakan boson (seperti atom netral helium-4). Perilaku superfluida sekarang dipahami sebagai manifestasi kondensasi Bose-Einstein, yang hanya terjadi dengan kumpulan boson.
Atom helium adalah atom paling sederhana kedua (hidrogen adalah yang paling sederhana), tetapi elektron ekstra memperkenalkan "benda" ketiga, sehingga solusi persamaan gelombangnya menjadi "masalah tiga benda", yang tidak memiliki solusi analitik. Akan tetapi, pendekatan numerik dari persamaan mekanika kuantum telah memberikan perkiraan yang baik tentang sifat atom kunci helium-4, seperti ukuran dan energi ionisasinya.
Stabilitas inti dan kulit elektron 4He
Inti atom helium-4 identik dengan partikel alfa. Eksperimen hamburan elektron berenergi tinggi menunjukkan bahwa muatannya menurun secara eksponensial dari titik maksimum di titik pusat, persis seperti kerapatan muatan awan elektron helium itu sendiri. Simetri ini mencerminkan fisika dasar yang serupa: pasangan neutron dan pasangan proton dalam inti helium mematuhi aturan mekanika kuantum yang sama seperti halnya pasangan elektron helium (walaupun partikel inti memiliki potensial pengikatan nuklir yang berbeda), sehingga semua fermion ini menempati orbital 1s1s secara berpasangan, tidak satupun dari mereka memiliki momentum sudut orbital, dan masing-masing membatalkan putaran intrinsik yang lain. Menambahkan yang lain dari salah satu partikel ini akan membutuhkan momentum sudut, dan akan melepaskan energi yang jauh lebih sedikit (pada kenyataannya, tidak ada inti dengan lima nukleon yang stabil). Susunan ini dengan demikian sangat stabil secara energetik untuk semua partikel ini, dan stabilitas ini menjelaskan banyak fakta penting mengenai helium di alam.
Energi ikatan per nukleon isotop umum. Energi ikat per partikel helium-4 secara signifikan lebih besar dari semua nuklida di dekatnya.
Stabilitas yang tidak biasa dari inti helium-4 juga penting secara kosmologis. Ini menjelaskan fakta bahwa, dalam beberapa menit pertama setelah Big Bang, sebagai "sup" dari proton dan neutron bebas yang pada awalnya dibuat dengan rasio sekitar 6:1 didinginkan hingga titik di mana pengikatan nuklir dimungkinkan, hampir semuanya inti atom yang akan terbentuk adalah inti helium-4. Pengikatan nukleon dalam helium-4 begitu ketat sehingga produksinya menghabiskan hampir semua neutron bebas dalam beberapa menit, sebelum mereka bisa mengalami peluruhan beta, dan menyisakan sangat sedikit untuk membentuk atom yang lebih berat (terutama litium, berilium, dan boron).
Semua elemen yang lebih berat — termasuk yang diperlukan untuk planet berbatu seperti Bumi, dan untuk kehidupan berbasis karbon atau lainnya — harus dihasilkan, sejak Big Bang, di bintang yang cukup panas untuk memadukan elemen yang lebih berat daripada hidrogen. Semua unsur selain hidrogen dan helium saat ini hanya menyumbang 2% dari massa materi atom di alam semesta. Helium-4, sebaliknya, membentuk sekitar 23% materi biasa alam semesta — hampir semua materi biasa bukan hidrogen (1H).
