Le noyau de l’hélium-4 atome est identique à une particule alpha. Les expériences de diffusion d’électrons à haute énergie montrent que sa charge diminue exponentiellement d’un maximum à un point central, exactement comme le fait la densité de charge du propre nuage d’électrons de l’hélium., Cette symétrie reflète une physique sous-jacente similaire: la paire de neutrons et la paire de protons dans le noyau de l’hélium obéissent aux mêmes règles mécaniques quantiques que la paire d’électrons de l’hélium (bien que les particules nucléaires soient soumises à un potentiel de liaison nucléaire différent), de sorte que tous ces fermions occupent pleinement les orbitales 1s par paires, aucun d’entre eux ne possédant de moment angulaire orbital, et chacun annulant le spin intrinsèque de l’autre., L’ajout d’une autre de ces particules nécessiterait un moment angulaire et libérerait beaucoup moins d’énergie (en fait, aucun noyau à cinq nucléons n’est stable). Cette disposition est donc énergétiquement extrêmement stable pour toutes ces particules, et cette stabilité explique de nombreux faits cruciaux concernant l’hélium dans la nature.,
Par exemple, la stabilité et la faible énergie du nuage électronique d’hélium provoquent l’inertie chimique de l’hélium (le plus extrême de tous les éléments), ainsi que l’absence d’interaction des atomes d’hélium entre eux (produisant les points de fusion et d’ébullition les plus bas de tous les éléments).
De la même manière, la stabilité énergétique particulière du noyau d’hélium-4, produite par des effets similaires, explique la facilité de production d’hélium-4 dans les réactions atomiques impliquant à la fois l’émission de particules lourdes et la fusion., Une partie de l’hélium-3 stable est produite dans les réactions de fusion à partir de l’hydrogène, mais c’est une très petite fraction, comparée à la production très énergétiquement favorable de l’hélium-4. La stabilité de l’hélium-4 est la raison pour laquelle l’hydrogène est converti en hélium-4, et non en deutérium (hydrogène-2) ou en hélium-3 ou d’autres éléments plus lourds lors des réactions de fusion dans le Soleil. Il est également en partie responsable du fait que la particule alpha est de loin le type de particule baryonique le plus courant à éjecter d’un noyau atomique; en d’autres termes, la désintégration alpha est beaucoup plus fréquente que la désintégration en grappe.,
énergie de Liaison par nucléon de la commune isotopes. L’énergie de liaison par particule d’hélium-4 est significativement plus grande que tous les nucléides voisins.
La stabilité inhabituelle du noyau d’hélium-4 est également importante cosmologiquement. Il explique le fait que, dans les premières minutes après le Big Bang, comme la « soupe » de protons libres et de neutrons qui avaient initialement été créés dans un rapport d’environ 6:1 refroidi au point où la liaison nucléaire était possible, presque tous les noyaux atomiques à former étaient des noyaux d’hélium-4., La liaison des nucléons dans l’hélium-4 est si étroite que sa production a consommé presque tous les neutrons libres en quelques minutes, avant qu’ils ne puissent se désintégrer bêta, et en a laissé très peu pour former des atomes plus lourds (en particulier le lithium, le béryllium et le bore). L’énergie de liaison nucléaire de l’hélium-4 par nucléon est plus forte que dans n’importe lequel de ces éléments (voir nucléogenèse et énergie de liaison), et donc aucun « entraînement » énergétique n’était disponible pour fabriquer les éléments 3, 4 et 5 une fois l’hélium formé. Il est à peine énergétiquement favorable que l’hélium fusionne dans l’élément suivant avec une énergie plus élevée par nucléon (carbone)., Cependant, en raison de la rareté des éléments intermédiaires et de l’instabilité extrême du béryllium-8 (le produit lorsque deux noyaux 4He fusionnent), ce processus nécessite que trois noyaux d’hélium se frappent presque simultanément (voir processus triple alpha). Il n’y avait donc pas de temps pour que du carbone significatif se forme dans les quelques minutes qui ont suivi le Big Bang, avant que l’univers en expansion précoce ne se refroidisse à la température et à la pression où la fusion de l’hélium en carbone n’était plus possible., Cela a laissé l’univers primitif avec un rapport hydrogène–hélium très similaire à celui observé aujourd’hui (3 parties d’hydrogène pour 1 partie d’hélium-4 en masse), avec presque tous les neutrons de l’univers piégés dans l’hélium-4.
Tous les éléments plus lourds—y compris ceux nécessaires pour les planètes rocheuses comme la Terre, et pour la vie à base de carbone ou autre-devaient donc être produits, depuis le Big Bang, dans des étoiles suffisamment chaudes pour fusionner des éléments plus lourds que l’hydrogène. Tous les éléments autres que l’hydrogène et l’hélium ne représentent aujourd’hui que 2% de la masse de la matière atomique dans l’univers., L’hélium-4, en revanche, représente environ 23% de la matière ordinaire de l’univers—presque toute la matière ordinaire qui n’est pas de l’hydrogène (1H).