la force nucléaire qui maintient un noyau atomique ensemble est très forte, en général beaucoup plus forte que les forces électromagnétiques répulsives entre les protons. Cependant, la force nucléaire est également à courte portée, tombant rapidement en force au-delà d’environ 1 femtomètre, tandis que la force électromagnétique a une portée illimitée., La force de la force nucléaire attractive maintenant un noyau ensemble est donc proportionnelle au nombre de nucléons, mais la force électromagnétique perturbatrice totale essayant de briser le noyau est à peu près proportionnelle au carré de son numéro atomique. Un noyau avec 210 nucléons ou plus est si grand que la forte force nucléaire qui le maintient ensemble peut à peine contrebalancer la répulsion électromagnétique entre les protons qu’il contient. La désintégration Alpha se produit dans ces noyaux comme un moyen d’augmenter la stabilité en réduisant la taille.,

une curiosité est pourquoi les particules alpha, les noyaux d’hélium, devraient être préférentiellement émises par opposition à d’autres particules comme un seul proton ou neutron ou d’autres noyaux atomiques. Partie de la raison en est la forte énergie de liaison de la particule alpha, ce qui signifie que sa masse est inférieure à la somme des masses des deux protons et de deux neutrons. Cela augmente l’énergie de désintégration., Le calcul de la désintégration totale de l’énergie donnée par l’équation

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

où m i {\displaystyle m_{\text{i}}} est la masse initiale du noyau, m f {\displaystyle m_{\text{f}}} est la masse du noyau après l’émission de particules, et m p {\displaystyle m_{\text{p}}} est la masse de la particule émise, on constate que, dans certains cas, il est positif et donc émission de particules alpha est possible, alors que d’autres mode de désintégration aurait besoin d’énergie pour être ajouté., Par exemple, le calcul de l’uranium 232 montre que l’émission de particules alpha donne 5,4 MeV d’énergie, alors qu’une seule émission de protons nécessiterait 6,1 MeV. La majeure partie de l’énergie de désintégration devient l’énergie cinétique de la particule alpha elle-même, bien que pour maintenir la conservation de l’élan, une partie de l’énergie va au recul du noyau lui-même (voir recul atomique)., Cependant, comme le nombre de masse de la plupart des radioisotopes émetteurs alpha dépasse 210, bien supérieur au nombre de masse de la particule alpha (4), la fraction de l’énergie allant au recul du noyau est généralement assez faible, inférieure à 2%.

ces énergies de désintégration, cependant, sont sensiblement plus petites que la barrière de potentiel répulsif créée par la force électromagnétique, qui empêche la particule alpha de s’échapper., L’énergie nécessaire pour amener une particule alpha de l’infini à un point près du noyau juste en dehors de la plage d’influence de la force nucléaire est généralement de l’ordre de 25 MeV. Une particule alpha peut être considérée comme étant à l’intérieur d’une barrière de potentiel dont les parois sont 25 MeV au-dessus du potentiel à l’infini. Cependant, les particules alpha de désintégration n’ont que des énergies d’environ 4 à 9 MeV au-dessus du potentiel à l’infini, bien moins que l’énergie nécessaire pour s’échapper.

la mécanique quantique, cependant, permet à la particule alpha de s’échapper via un tunnel quantique., La théorie du tunnel quantique de la désintégration alpha, développée indépendamment par George Gamow et Ronald Wilfred Gurney et Edward Condon en 1928, a été saluée comme une confirmation très frappante de la théorie quantique. Essentiellement, la particule alpha s’échappe du noyau non pas en acquérant suffisamment d’énergie pour passer au-dessus de la paroi qui la confine, mais en creusant un tunnel à travers la paroi., Gurney et Condon ont fait l’observation suivante dans leur article à ce sujet:

Il a été jusqu’à présent nécessaire de postuler une « instabilité » arbitraire spéciale du noyau, mais dans la note suivante, il est souligné que la désintégration est une conséquence naturelle des lois de la mécanique quantique sans aucune hypothèse particulière… On a beaucoup écrit sur la violence explosive avec laquelle la particule α est projetée de sa place dans le noyau. Mais d’après le processus illustré ci-dessus, on dirait plutôt que la particule α glisse presque inaperçue.,

La théorie suppose que la particule alpha peut être considérée comme une particule indépendante dans un noyau, qui est en mouvement constant mais maintenue dans le noyau par des forces électromagnétiques. À chaque collision avec la barrière de potentiel répulsif de la force électromagnétique, il y a une faible probabilité non nulle qu’elle se fraye un tunnel. Une particule alpha avec une vitesse de 1,5×107 m/s dans un diamètre nucléaire d’environ 10-14 m entrera en collision avec la barrière plus de 1021 fois par seconde., Cependant, si la probabilité d’évasion à chaque collision est très faible, la demi-vie du radio-isotope sera très longue, car c’est le temps nécessaire pour que la probabilité totale d’évasion atteigne 50%. À titre d’exemple extrême, la demi-vie de l’isotope bismuth-209 est de 2,01×1019 ans.

les isotopes dans les isobares stables à désintégration bêta qui sont également stables en ce qui concerne la double désintégration bêta avec le nombre de masse A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 et a ≥ 165 sont théorisés pour subir une désintégration alpha. Tous les autres nombres de masse (isobares) ont exactement un nucléide théoriquement stable)., Ceux dont la masse 5 se désintègre en hélium-4 et un proton ou un neutron, et ceux dont la masse 8 se désintègre en deux noyaux d’hélium-4; leurs demi-vies (hélium-5, lithium-5 et béryllium-8) sont très courtes, contrairement aux demi-vies de tous les autres nucléides de ce type avec un ≤ 209, qui sont très longues. (De tels nucléides avec un ≤ 209 sont des nucléides primordiaux sauf 146Sm.)

L’élaboration des détails de la théorie conduit à une équation reliant la demi-vie d’un radioisotope à l’énergie de désintégration de ses particules alpha, une dérivation théorique de la loi empirique de Geiger–Nuttall.