Naast zuurstof, stikstof en waterstof bevat lucht sporen van zeldzame gassen zoals neon, helium, krypton en xenon. Qua volumefractie is neon goed voor ongeveer 15×10⁻⁶ tot 18×10⁻⁶, helium voor 4,6×10⁻⁶ tot 5,3×10⁻⁶, krypton voor slechts 1,08×10⁻⁶ en xenon voor 0,08×10⁻⁶. Xenon staat algemeen bekend als het ‘gouden gas’. Vanwege de extreem lage concentraties en de complexiteit van het extractieproces komen terugwinningsunits alleen in aanmerking voor zuurstofinstallaties met een capaciteit groter dan 10.000 m³/h.
Neon en helium hebben zeer lage vloeibaarmakingstemperaturen. Bij atmosferische druk is de vloeibaarmakingstemperatuur van neon 27,26 K, en die van helium 4,21 K. Neon is zeer inert, waardoor vloeibare neon een zeer veilig koelmiddel is voor cryogene laboratoria. Bij temperaturen van vloeibaar helium verliezen geleiders hun elektrische weerstand, waardoor de stroom zonder verlies kan passeren, wat resulteert in 'supergeleiding', die kan worden gebruikt om supergeleidende motoren te bouwen. Daarom zal vloeibaar helium, met de vooruitgang van de ultra-lage-temperatuurtechnologie, een steeds belangrijkere rol spelen.
Helium is zeer inert. Het wordt gebruikt als beschermend gas bij het smelten van bijzondere zeldzame metalen zoals titanium en zirkonium, maar ook bij halfgeleiders zoals silicium en germanium. Helium is ook nodig als beschermgas voor het lassen en snijden van hoogwaardige legeringen met hoge smeltpunten en grote diktes.
Helium heeft een sterke diffusiteit en een bijzonder hoge permeabiliteit. Daarom is helium voor drukvaten en vacuümsystemen met extreem strenge eisen de beste lekdetectie-indicator. Bovendien is helium het optimale koelmiddel voor koelkasten met ultra-lage temperaturen. Heliumcondensatoren en heliumkoelers kunnen temperaturen bereiken die het absolute nulpunt naderen. Pompen die werken met vloeibaar helium kunnen het hoge vacuüm van 133,32×10⁻⁹ Pa bereiken dat nodig is in de elektronica-industrie, en het ultra-hoge vacuüm van 133,32×10⁻¹⁰ tot 133,32×10⁻¹² Pa dat nodig is voor ruimteonderzoek.
In de atoomfysica wordt de heliumkern gebruikt als alfadeeltje. In de atomaire industrie wordt helium op grote schaal gebruikt als beschermend gas. In kernreactoren dient helium niet alleen als beschermend gas, maar ook als koelmiddel. Omdat helium chemisch inert en niet-corrosief is voor verbrandingsapparatuur, kan het de reactortemperatuur en efficiëntie verhogen. Bovendien heeft helium zelf een hoge thermische geleidbaarheid, wat uitstekende koelprestaties oplevert.
In de geneeskunde kan een 1:4-mengsel van zuurstof en helium snel de longen binnendringen, waardoor de uitwisseling van zuurstof en kooldioxide wordt versneld. Het kan worden gebruikt voor de behandeling van astma, luchtpijp- en larynxziekten, evenals decompressieziekte.
Als bij duikoperaties gewone lucht wordt gebruikt, kan in het bloed opgeloste stikstof narcose veroorzaken op een diepte van minder dan 50 meter, wat een levens-bedreigend risico voor duikers vormt. Daarom kunnen duikers die op grote diepte werken geen pure zuurstof gebruiken; in plaats daarvan wordt een zuurstof-heliummengsel gebruikt ter vervanging van de ademlucht, waardoor veilige operaties op een diepte van maximaal 200 meter worden gegarandeerd. Het heliumverbruik is daardoor aanzienlijk.
Omdat helium veiliger is dan waterstof, kan het worden gebruikt ter vervanging van waterstof voor het vullen van luchtschepen en weerballonnen. Helium kan ook worden gebruikt als draaggas bij chromatografie.
Met de ontwikkeling van ruimtetechnologie, lasertechnologie en infrarooddetectietechnologie heeft helium een breed scala aan toepassingen.
Neon straalt een rode gloed uit wanneer het in gloeilampen wordt gevuld en wordt al lang gebruikt om neonsignaalapparaten en verschillende ontladingsbuizen te vullen. Het wordt ook veel gebruikt in lasertechnologie en infrarooddetectie.
De latente verdampingswarmte van neon is 40 keer groter dan die van helium, waardoor het geschikt is als koelmiddel voor ultra-lage temperaturen, met een minimumtemperatuur van -245,9 graden. Neon en helium kunnen ook worden gebruikt voor het meten van de werkelijke dichtheid en het oppervlak van poreuze stoffen.
Krypton en xenon worden vooral gebruikt in elektrische lichtbronnen. Lampen gevuld met krypton-, xenon- en argonmengsels zijn compact, -duurzaam en zeer efficiënt- over het algemeen 4 tot 5 keer efficiënter dan gloeilampen, met een levensduur die 2 tot 3 keer langer is. Flitslampen en stroboscopen maken ook gebruik van krypton en xenon. Omdat de ontladingsintensiteit van xenonlampen groter is dan die van zonlicht, hebben xenonlampen met lange-boogbogen gevuld met xenon, algemeen bekend als 'kleine zonnen', een extreem sterk mistdoordringend vermogen-. Ze kunnen worden gebruikt voor verlichting op luchthavens, treinstations, havens en andere locaties, maar ook op slagvelden.
Bovendien heeft xenon een relatief hoog molecuulgewicht en sterke anesthetische eigenschappen, waardoor het een ideaal verdovingsmiddel in de geneeskunde is. Xenon heeft ook de eigenschap ondoordringbaar te zijn voor röntgenstraling en wordt gebruikt als contrastmiddel voor röntgenfotografie van de hersenen, maar ook voor het afschermen van röntgenstraling.
