Die Kernkraft, die einen Atomkern zusammenhält, ist sehr stark, im Allgemeinen viel stärker als die abstoßenden elektromagnetischen Kräfte zwischen den Protonen. Die Kernkraft ist jedoch auch von kurzer Reichweite und fällt schnell in der Stärke über etwa 1 Femtometer hinaus, während die elektromagnetische Kraft eine unbegrenzte Reichweite hat., Die Stärke der attraktiven Kernkraft, die einen Kern zusammenhält, ist somit proportional zur Anzahl der Nukleonen, aber die gesamte störende elektromagnetische Kraft, die versucht, den Kern auseinander zu brechen, ist ungefähr proportional zum Quadrat seiner Ordnungszahl. Ein Kern mit 210 oder mehr Nukleonen ist so groß, dass die starke Kernkraft, die ihn zusammenhält, die elektromagnetische Abstoßung zwischen den darin enthaltenen Protonen kaum ausgleichen kann. Alpha-Zerfall tritt in solchen Kernen als Mittel zur Erhöhung der Stabilität durch Verringerung der Größe auf.,

Eine Kuriosität ist, warum Alphateilchen, Heliumkerne, im Gegensatz zu anderen Teilchen wie einem einzelnen Proton oder Neutron oder anderen Atomkernen bevorzugt emittiert werden sollten. Ein Teil des Grundes ist die hohe Bindungsenergie des Alphateilchens, was bedeutet, dass seine Masse geringer ist als die Summe der Massen von zwei Protonen und zwei Neutronen. Dies erhöht die Zerfallsenergie., Berechnen der gesamten Zerfallsenergie, die durch die Gleichung gegeben ist

E = ( m i − m f − m p ) c 2 {\displaystyle E=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^{2}}

wobei m i {\displaystyle m_{\text{i}}} die Anfangsmasse des Kerns ist, m f {\displaystyle m_{\text{f}}} ist die Masse des Kerns nach Teilchen emission, und m p {\displaystyle m_{\text{p}}} ist die Masse des emittierten Teilchens, stellt man fest, dass es in bestimmten Fällen positiv ist und so eine Alphateilchenemission möglich ist, während andere Zerfallsmodi Energie erfordern würden hinzugefügt werden., Zum Beispiel zeigt die Berechnung für Uran-232, dass die Alphateilchenemission 5,4 MeV Energie ergibt, während eine einzelne Protonenemission 6,1 MeV erfordern würde. Der größte Teil der Zerfallsenergie wird zur kinetischen Energie des Alphateilchens selbst, obwohl zur Aufrechterhaltung der Impulserhaltung ein Teil der Energie in den Rückstoß des Kerns selbst fließt (siehe Atomrückstoß)., Da jedoch die Massenzahlen der meisten alpha-emittierenden Radioisotope 210, weit größer als die Massenzahl des Alphateilchens (4) überschreiten, ist der Anteil der Energie, die zum Rückstoß des Kerns geht, im Allgemeinen ziemlich klein, weniger als 2%.

Diese Zerfallsenergien sind jedoch wesentlich kleiner als die durch die elektromagnetische Kraft erzeugte abstoßende Potentialbarriere, die das Entweichen des Alphateilchens verhindert., Die Energie, die benötigt wird, um ein Alphateilchen von unendlich zu einem Punkt in der Nähe des Kerns zu bringen, der außerhalb des Einflusses der Kernkraft liegt, liegt im Allgemeinen im Bereich von etwa 25 MeV. Ein Alphateilchen kann als innerhalb einer Potentialbarriere betrachtet werden, deren Wände 25 MeV über dem Potential im Unendlichen liegen. Zerfall Alpha-Teilchen haben jedoch nur Energien von etwa 4 bis 9 MeV über dem Potential im Unendlichen, weit weniger als die Energie benötigt, um zu entkommen.

Die Quantenmechanik erlaubt es dem Alphateilchen jedoch, über Quantentunnel zu entkommen., Die Quantentunneltheorie des Alpha-Zerfalls, die 1928 unabhängig von George Gamow und Ronald Wilfred Gurney und Edward Condon entwickelt wurde, wurde als eine sehr auffällige Bestätigung der Quantentheorie gefeiert. Im Wesentlichen entweicht das Alphateilchen aus dem Kern nicht, indem es genügend Energie erhält, um über die Wand zu gelangen, die es einschließt, sondern indem es durch die Wand tunnelt., Gurney und Condon haben in ihrer Arbeit darauf folgende Beobachtung gemacht:

Bisher war es notwendig, eine spezielle willkürliche „Instabilität“ des Kerns zu postulieren, aber in der folgenden Anmerkung wird darauf hingewiesen, dass der Zerfall eine natürliche Folge der Gesetze der Quantenmechanik ohne besondere Hypothese ist… Es wurde viel über die explosive Gewalt geschrieben, mit der das α-Teilchen von seinem Platz im Kern geschleudert wird. Aber aus dem oben abgebildeten Prozess würde man lieber sagen, dass das α-Teilchen fast unbemerkt wegrutscht.,

Die Theorie geht davon aus, dass das Alphateilchen als unabhängiges Teilchen innerhalb eines Kerns betrachtet werden kann, das sich in konstanter Bewegung befindet, aber durch elektromagnetische Kräfte im Kern gehalten wird. Bei jeder Kollision mit der abstoßenden Potentialbarriere der elektromagnetischen Kraft besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass sie ihren Weg findet. Ein Alphateilchen mit einer Geschwindigkeit von 1,5×107 m/s innerhalb eines Kerndurchmessers von etwa 10-14 m kollidiert mehr als 1021 Mal pro Sekunde mit der Barriere., Wenn jedoch die Fluchtwahrscheinlichkeit bei jeder Kollision sehr gering ist, ist die Halbwertszeit des Radioisotops sehr lang, da es die Zeit ist, die erforderlich ist, damit die Gesamtfluchtwahrscheinlichkeit 50% erreicht. Als Extrembeispiel beträgt die Halbwertszeit des Isotops Wismut-209 2, 01×1019 Jahre.

Die Isotope in beta-zerfallsstabilen Isobaren, die auch in Bezug auf doppelten Beta-Zerfall mit der Massenzahl A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 und A ≥ 165 stabil sind, werden theoretisch Alpha-Zerfall unterzogen. Alle anderen Massenzahlen (Isobare) haben genau einen theoretisch stabilen Nuklid)., Diejenigen mit Masse 5 zerfallen zu Helium-4 und einem Proton oder einem Neutron, und diejenigen mit Masse 8 zerfallen zu zwei Helium-4 Kernen; ihre Halbwertszeiten (Helium-5, Lithium-5 und Beryllium-8) sind sehr kurz, im Gegensatz zu den Halbwertszeiten für alle anderen solchen Nuklide mit einem ≤ 209, die sehr lang sind. (Solche Nuklide mit einem ≤ 209 sind primordiale Nuklide außer 146Sm.)

Das Ausarbeiten der Details der Theorie führt zu einer Gleichung, die die Halbwertszeit eines Radioisotops mit der Zerfallsenergie seiner Alphateilchen in Beziehung setzt, eine theoretische Ableitung des empirischen Geiger-Nuttall-Gesetzes.