空气中除了氧、氮和氩之外，还含有少量的氖、氦、氪和氙等稀有气体。稀有气体的含量非常低，通常以体积分数来表示，氖大约占15×10^-6至18×10^-6，氦占4.6×10^-6至5.3×10^-6。氪的含量约为1.08×10^-6，而氙占0.08×10^-6，它们通常被称为“黄金气体”。由于稀有气体的含量稀少，提取过程复杂，通常只在处理大于10000m^3/h的氧气的设备上考虑是否配备提取装置。
氖和氦具有非常低的液化温度。氖在常压下的液化温度为27.26K，而氦为4.21K。氖的化学惰性很大，因此作为低温实验室的冷却剂非常安全。在液氦的温度下，导体可以失去电阻，电流通过时没有损失，表现出“超导电性”，这使得超导电机成为可能。随着超低温技术的发展，液氦的作用变得越来越重要。
氦由于其化学惰性很大，常用于冶炼特殊稀有金属如钛、锆，以及半导体硅、锗等，作为保护气体。在焊接和切割熔点高、厚度大的高级合金时，也需要使用氦气进行保护。氦还具有很强的扩散性，因此在要求非常严格的压力容器和真空系统中，氦是最佳的检漏指示剂。
氦是超低温制冷机的最佳制冷工质。使用氦制冷机可以获得接近绝对零度的低温。液氦操作的泵可以达到电子工业中需要的133.32×10^-9Pa的高真空度，以及在宇宙空间研究中需要的133.32×10^-10至133.32×10^-12Pa的超真空度。
在原子物理领域，氦的原子核常被用作α粒子。在原子工业中，氦广泛用作保护气体，甚至在原子反应堆中，氦不仅作为保护气体，还作为冷却剂，因其化学性质不活泼，对燃烧装置无腐蚀作用，能提高反应堆的温度和效率。
在医疗领域，氧气和氦气的混合气体可以迅速渗透肺部，加速氧气和二氧化碳的交换，用于治疗气喘、气管和喉部疾病，以及潜水病等。
在潜水作业中，如果使用普通空气，深度超过50米时，溶解在血液中的氮会引起麻醉，潜水员面临生命危险。因此，深水潜水作业时，潜水员需要使用氧气和氦气混合气体代替空气，以确保200米深水的作业安全。
由于氦气比氢气更安全，常用于填充飞船、气象气球等，也可作为色谱和载气。随着宇宙空间技术、激光技术和红外线探测技术的发展，氦的用途越来越广泛。
氖气在灯泡中呈红色，常用于氖信号装置和各种放电管，也广泛应用于激光技术、红外线检测等方面。氖的气化潜热比氦大40倍，因此可以用作超低温制冷剂，其最低温度可达-245.9℃。
氪和氙主要应用于电光源。氪、氙和氩的混合气体用于灯泡，具有体积小、寿命长、效率高的特点，比普通白炽灯的效率高4至5倍，寿命可增加2至3倍。闪光灯、频闪观测器等设备都使用氪和氙气体。由于氙灯的放电强度超过太阳光的放电强度，氙气充填的长弧氩灯，俗称“小太阳”，具有极强的穿透雾能力，适用于机场、车站、码头等场所的照明，甚至应用于军事领域。
此外，由于氙的分子量较大，具有很强的麻醉作用，在医学上是理想的麻醉剂。氙还具有不透过X射线的特性，被用作脑部X光摄影的造影剂，也用于遮蔽X射线。
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