la fuerza nuclear que mantiene unido un núcleo atómico es muy fuerte, en general mucho más fuerte que las fuerzas electromagnéticas repulsivas entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear también es de corto alcance, cayendo rápidamente en fuerza más allá de aproximadamente 1 femtómetro, mientras que la fuerza electromagnética tiene un rango ilimitado., La fuerza de la fuerza nuclear atractiva que mantiene unido a un núcleo es proporcional al número de nucleones, pero la fuerza electromagnética disruptiva total que intenta romper el núcleo es aproximadamente proporcional al cuadrado de su número atómico. Un núcleo con 210 o más nucleones es tan grande que la fuerza nuclear fuerte que lo mantiene unido apenas puede contrarrestar la repulsión electromagnética entre los protones que contiene. La desintegración alfa ocurre en tales núcleos como un medio de aumentar la estabilidad al reducir el tamaño.,

una curiosidad es por qué las partículas alfa, núcleos de helio, deben emitirse preferentemente en lugar de otras partículas como un solo protón o neutrón u otros núcleos atómicos. Parte de la razón es la alta energía de unión de la partícula alfa, lo que significa que su masa es menor que la suma de las masas de dos protones y dos neutrones. Esto aumenta la energía de desintegración., Calculando la energía de desintegración total dada por la ecuación

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

donde m i {\displaystyle M_{\text{i}}} es la masa inicial del núcleo, m f {\displaystyle M_{\text{f}}} es la masa del núcleo después de la emisión de partículas, y m p {\displaystyle M_{\text{f}}} M_ {\text {P}}} es la masa de la partícula emitida, se encuentra que en ciertos casos es positiva y por lo tanto la emisión de partículas alfa es posible, mientras que otros modos de desintegración requerirían energía para ser añadido., Por ejemplo, la realización del cálculo para el uranio-232 muestra que la emisión de partículas alfa da 5,4 MeV de energía, mientras que una sola emisión de protones requeriría 6,1 MeV. La mayor parte de la energía de desintegración se convierte en la energía cinética de la partícula alfa en sí, aunque para mantener la conservación del momento parte de la energía va al retroceso del núcleo en sí (véase retroceso Atómico)., Sin embargo, dado que los números de masa de la mayoría de los radioisótopos emisores Alfa exceden 210, mucho mayor que el número de masa de la partícula alfa (4) la fracción de la energía que va al retroceso del núcleo es generalmente bastante pequeña, menos del 2%.

estas energías de desintegración, sin embargo, son sustancialmente más pequeñas que la barrera de potencial repulsivo creada por la fuerza electromagnética, que evita que la partícula alfa Escape., La energía necesaria para llevar una partícula alfa desde el infinito a un punto cerca del núcleo justo fuera del rango de influencia de la fuerza nuclear es generalmente en el rango de alrededor de 25 MeV. Se puede pensar que una partícula alfa está dentro de una barrera de potencial cuyas paredes están 25 MeV por encima del potencial en el infinito. Sin embargo, las partículas alfa de desintegración solo tienen energías de alrededor de 4 a 9 MeV por encima del potencial en el infinito, mucho menos que la energía necesaria para escapar.

la mecánica cuántica, sin embargo, permite que la partícula alfa escape a través del túnel cuántico., La teoría del túnel cuántico de la desintegración alfa, desarrollada independientemente por George Gamow y Ronald Wilfred Gurney y Edward Condon en 1928, fue aclamada como una confirmación muy sorprendente de la teoría cuántica. Esencialmente, la partícula alfa escapa del núcleo no adquiriendo suficiente energía para pasar por encima de la pared confinándola, sino haciendo un túnel a través de la pared., Gurney y Condon hicieron la siguiente observación en su artículo sobre él:

hasta ahora ha sido necesario postular alguna especial ‘inestabilidad’ arbitraria del núcleo, pero en la siguiente nota, se señala que la desintegración es una consecuencia natural de las leyes de la mecánica cuántica sin ninguna hipótesis especial… Mucho se ha escrito de la violencia explosiva con la que la partícula α es lanzada desde su lugar en el núcleo. Pero por el proceso que se muestra arriba, uno diría que la partícula α casi se escapa inadvertida.,

la teoría supone que la partícula alfa puede ser considerada una partícula independiente dentro de un núcleo, que está en movimiento constante pero retenida dentro del núcleo por fuerzas electromagnéticas. En cada colisión con la barrera de potencial repulsivo de la fuerza electromagnética, hay una pequeña probabilidad no nula de que se abrirá un túnel para salir. Una partícula alfa con una velocidad de 1,5×107 m/s dentro de un diámetro nuclear de aproximadamente 10-14 m chocará con la barrera más de 1021 veces por segundo., Sin embargo, si la probabilidad de escape en cada colisión es muy pequeña, la vida media del radioisótopo será muy larga, ya que es el tiempo requerido para que la probabilidad total de escape alcance el 50%. Como ejemplo extremo, la vida media del isótopo bismuto-209 es de 2,01×1019 años.

los isótopos en isobares estables de desintegración beta que también son estables con respecto a la desintegración beta doble con número de masa A = 5, a = 8, 143 ≤ a ≤ 155, 160 ≤ a ≤ 162, y a ≥ 165 se teoriza que sufren desintegración alfa. Todos los demás números de masa (isobares) tienen exactamente un nucleido teóricamente estable)., Aquellos con masa 5 decaen a helio-4 y un protón o un neutrón, y aquellos con masa 8 decaen a dos núcleos de helio-4; sus vidas medias (helio-5, litio-5 y berilio-8) son muy cortas, a diferencia de las vidas medias de todos los otros nucleidos con a ≤ 209, que son muy largas. (Tales nucleidos con a ≤ 209 son nucleidos primordiales excepto 146sm.)

elaborar los detalles de la teoría conduce a una ecuación que relaciona la vida media de un radioisótopo con la energía de desintegración de sus partículas alfa, una derivación teórica de la ley empírica de Geiger-Nuttall.