氦单质在极低温度下由气态氦转变为液态氦气。由于氦原子间的相互作用（范德华力）和原子质量都很小，很难液化，更难凝固。富同位素4He的气液相变曲线的临界温度和临界压强分别为5.20K和2.26大气压，一个标准大气压下的温度为4.215K.在常压下，温度从临界温度下降至绝对零度时，氦始终保持为液态，不会凝固，只有在大于25大气压时才出现固态。

  1873年范德瓦尔斯在他的博士论文《论液态与气态的连续性》中提出了包含气态和液态的“物态方程”，论证了气态和液态能以连续性的方式互相转变，指出所有气体都存在着临界温度，这成为将来所有气体液化的理论指导。范德瓦尔斯还提出分子不但占有体积而且相互之间有作用力。

  1880年范德瓦尔斯又提出了“对应态定律”，用这个定律就可用一个方程描写所有气体的行为。在范德瓦尔斯对应态定律的指导下，杜瓦（James Dewar）于1898年液化了氢气，卡墨林-翁纳斯（Kamerlin-Onnes）于1908年实现了氦气液化。

  杜瓦对低温学的贡献非常重要，他不但在1898年首先液化了氢气，也是氢液化和固化（对液氢减压降温）的开拓者，而且于1892年发明了双层镀银玻璃中间抽真空的低温容器，成为此类低温容器的鼻祖，在低温科学技术领域的卓越贡献在氦气液化过程中起到了极其重要的作用。

  氦气当时是通过加热独居石（磷铈镧矿石）的方法获得的，每克磷铈镧矿石中大约含25px3-50px3的氦气。卡墨林-翁纳斯做实验时液化系统中共用了200L（常温、常压下）的氦气。

  1882年卡墨林-翁纳斯被任命为莱登大学物理系实验物理主任并开始筹建低温物理实验室，他在与范德瓦尔斯合作进行气体和液体性质的系统研究中获得了灵感，领会了物质气态和液态的本质联系。

  卡墨林-翁纳斯不但是一位杰出的科学家、也是有开拓眼光的科学技术管理者，他采取开发政策，1885年在科学杂志《莱登大学物理实验室通讯》上详细地公布了实验室全部结果、所有实验装置的细节和技术进展，欢迎世界各国的人士来访、学习交流和讨论。这样他建立了广泛的学术联系，获得了大量的信息。

  卡墨林-翁纳斯是把研究-教育-产业三者之间建立互动的先行者。1890年他建立了莱登仪器工学校，对学员进行仪表制造和玻璃装置烧制的培训，完成学业后有的在他的实验室作技工，有的自立组建公司，为实验室提供所需的各种设备和玻璃容器。

  卡墨林-翁纳斯领导的实验室为了满足低温研究的需要，1892年建造了每小时14L的空气液化装置，在1906年具有了每小时液化4L氢气的能力，并用抽气减压的方法获得了14K的低温，为液化氦打下了坚实的基础。卡墨林-翁纳斯在液化氦气的竞争中脱颖而出，后来居上。在1908年7月10日获得了世界上第1滴液氦。连同1911年他第一个发现汞的超导电性，卡墨林-翁纳斯开创了液氦温区和超导的新领域。

  氦在通常情况下为无色、无味的气体；熔点-272.2℃（25个大气压），沸点-268.785℃；密度0.1785克/升，临界温度-267.8℃，临界压力2.26大气压；水中溶解度8.61厘米³/千克水。氦是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18K时（HeⅡ），性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动，热传导性为铜的800倍，并变成超导体；其比热容、表面张力、压缩性都是反常的。

  液氦在一个大气压下密度为0.125 g/mL。氦有两种天然同位素：氦3、氦4，自然界中存在的氦基本上全是氦4。