La forza nucleare che tiene insieme un nucleo atomico è molto forte, in generale molto più forte delle forze elettromagnetiche repulsive tra i protoni. Tuttavia, la forza nucleare è anche a corto raggio, cadendo rapidamente in forza oltre circa 1 femtometro, mentre la forza elettromagnetica ha una portata illimitata., La forza della forza nucleare attraente che tiene insieme un nucleo è quindi proporzionale al numero di nucleoni, ma la forza elettromagnetica totale che cerca di rompere il nucleo è approssimativamente proporzionale al quadrato del suo numero atomico. Un nucleo con 210 o più nucleoni è così grande che la forte forza nucleare che lo tiene insieme può a malapena controbilanciare la repulsione elettromagnetica tra i protoni che contiene. Il decadimento alfa si verifica in tali nuclei come mezzo per aumentare la stabilità riducendo le dimensioni.,

Una curiosità è il motivo per cui le particelle alfa, i nuclei di elio, dovrebbero essere emessi preferenzialmente rispetto ad altre particelle come un singolo protone o neutrone o altri nuclei atomici. Parte della ragione è l’alta energia di legame della particella alfa, il che significa che la sua massa è inferiore alla somma delle masse di due protoni e due neutroni. Questo aumenta l’energia di disintegrazione., Calcolo il totale disintegrazione di energia data dall’equazione

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

dove m i {\displaystyle m_{\text{i}}} è la massa iniziale del nucleo, m f {\displaystyle m_{\text{f}}} è la massa del nucleo, dopo l’emissione di particelle, e m p {\displaystyle m_{\text{p}}} è la massa della particella, si constata che, in alcuni casi è positiva e quindi particella alfa di emissione è possibile, mentre altri modi di decadimento richiedono energia per essere aggiunto., Ad esempio, eseguendo il calcolo per l’uranio-232 mostra che l’emissione di particelle alfa dà 5,4 MeV di energia, mentre una singola emissione di protoni richiederebbe 6,1 MeV. La maggior parte dell’energia di disintegrazione diventa l’energia cinetica della particella alfa stessa, anche se per mantenere la conservazione della quantità di moto parte dell’energia va al rinculo del nucleo stesso (vedi Rinculo atomico)., Tuttavia, poiché il numero di massa della maggior parte dei radioisotopi che emettono alfa supera 210, molto maggiore del numero di massa della particella alfa (4), la frazione dell’energia che va al rinculo del nucleo è generalmente piuttosto piccola, inferiore al 2%.

Queste energie di disintegrazione, tuttavia, sono sostanzialmente più piccole della barriera potenziale repulsiva creata dalla forza elettromagnetica, che impedisce alla particella alfa di fuoriuscire., L’energia necessaria per portare una particella alfa dall’infinito a un punto vicino al nucleo appena fuori dall’intervallo dell’influenza della forza nucleare è generalmente nell’intervallo di circa 25 MeV. Una particella alfa può essere pensata come all’interno di una barriera potenziale le cui pareti sono 25 MeV sopra il potenziale all’infinito. Tuttavia, le particelle alfa di decadimento hanno solo energie di circa 4-9 MeV al di sopra del potenziale all’infinito, molto meno dell’energia necessaria per sfuggire.

La meccanica quantistica, tuttavia, consente alla particella alfa di sfuggire tramite il tunneling quantistico., La teoria del tunneling quantistico del decadimento alfa, sviluppata in modo indipendente da George Gamow e Ronald Wilfred Gurney e Edward Condon nel 1928, fu salutata come una conferma molto sorprendente della teoria quantistica. Essenzialmente, la particella alfa sfugge dal nucleo non acquisendo abbastanza energia per passare sopra il muro confinandolo, ma scavando attraverso il muro., Gurney e Condon hanno fatto la seguente osservazione nel loro articolo su di esso:

Finora è stato necessario postulare una speciale “instabilità” arbitraria del nucleo, ma nella nota seguente, si sottolinea che la disintegrazione è una conseguenza naturale delle leggi della meccanica quantistica senza alcuna ipotesi speciale… Molto è stato scritto della violenza esplosiva con cui la particella α viene scagliata dal suo posto nel nucleo. Ma dal processo nella foto sopra, si direbbe piuttosto che la particella α scivola quasi inosservata.,

La teoria suppone che la particella alfa possa essere considerata una particella indipendente all’interno di un nucleo, cioè in costante movimento ma tenuta all’interno del nucleo da forze elettromagnetiche. Ad ogni collisione con la barriera potenziale repulsiva della forza elettromagnetica, c’è una piccola probabilità diversa da zero che si tunnel la sua via d’uscita. Una particella alfa con una velocità di 1,5×107 m / s all’interno di un diametro nucleare di circa 10-14 m si scontrerà con la barriera più di 1021 volte al secondo., Tuttavia, se la probabilità di fuga ad ogni collisione è molto piccola, l’emivita del radioisotopo sarà molto lunga, poiché è il tempo necessario affinché la probabilità totale di fuga raggiunga il 50%. Come esempio estremo, l’emivita dell’isotopo bismuto-209 è di 2,01×1019 anni.

Gli isotopi nelle isobare stabili di decadimento beta che sono anche stabili per quanto riguarda il doppio decadimento beta con numero di massa A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162 e A ≥ 165 sono teorizzati per subire il decadimento alfa. Tutti gli altri numeri di massa (isobar) hanno esattamente un nuclide teoricamente stabile)., Quelli con massa 5 decadono in elio-4 e un protone o un neutrone, e quelli con massa 8 decadono in due nuclei di elio-4; le loro emivita (elio-5, litio-5 e berillio-8) sono molto brevi, a differenza delle emivite per tutti gli altri nuclidi con un ≤ 209, che sono molto lunghi. (Tali nuclidi con un ≤ 209 sono nuclidi primordiali tranne 146Sm.)

L’elaborazione dei dettagli della teoria porta ad un’equazione che collega l’emivita di un radioisotopo all’energia di decadimento delle sue particelle alfa, una derivazione teorica della legge empirica di Geiger-Nuttall.