Den kjernefysiske kraft holder en atomkjerne sammen er veldig sterk, er det generelt er mye sterkere enn de frastøtende elektromagnetiske kreftene mellom protoner. Men, kjernekraften er også kort rekkevidde, slippe raskt i styrke utover ca 1 femtometer, mens den elektromagnetiske kraften har en ubegrenset rekkevidde., Styrken av attraktivt kjernekraften å holde en kjerne sammen er dermed proporsjonal med antall nucleons, men den totale forstyrrende elektromagnetisk kraft som prøver å bryte kjernen bortsett er omtrent proporsjonal med kvadratet av sin atomnummer. En kjerne med 210 eller mer nucleons er så stor at den sterke kjernekraften som holder det sammen, kan bare knapt en motvekt til elektromagnetisk frastøting mellom protoner den inneholder. Alfa forfall oppstår i slike kjerner som et middel for å øke stabiliteten ved å redusere størrelsen.,

En nysgjerrighet er derfor alfa-partikler, heliumkjerner, bør fortrinnsvis som slippes ut, i motsetning til andre partikler som et enkelt proton eller nøytron eller andre atomic kjerner. En del av grunnen er høy bindende energien til alfa-partikkelen, som betyr at dens masse er mindre enn summen av massene av to protoner og to nøytroner. Dette øker oppløsningen energi., Computing den totale oppløsningen energi gitt ved ligningen

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

der m jeg {\displaystyle m_{\text{i}}} er den første massen av kjernen, m f {\displaystyle m_{\text{f}}} er massen av kjernen etter partikkel-utslipp, og m p {\displaystyle m_{\text{p}}} er massen av partikler som slippes ut, finner man at det i visse tilfeller er det positivt og så alpha partikkel-utslipp er mulig, mens andre decay modes ville kreve energi til å bli lagt til., For eksempel, å utføre beregningen for uran-232 viser at alfa-partikkel-utslipp gir 5.4 MeV energi, mens et enkelt proton-utslipp ville kreve 6.1 MeV. De fleste av oppløsningen energi blir den kinetiske energien til alfa-partikkelen seg selv, men for å opprettholde bevaring av bevegelsesmengde del av energien går til rekyl av kjernen i seg selv (se Atomic rekyl)., Men siden massen tall for de fleste alpha-emitting radioisotopes overstige 210, langt større enn massen nummer av alfa-partikkel (4) brøkdel av energien går til rekyl av kjernen er vanligvis ganske små, mindre enn 2%.

Disse oppløsningen energier, er imidlertid vesentlig mindre enn den frastøtende potensiell barriere opprettet av elektromagnetisk kraft, noe som hindrer alpha partikkel fra å rømme., Den energien som trengs for å få en alfa-partikkel fra uendelig til et punkt i nærheten av kjernen like utenfor rekkevidden av kjernekraften innflytelse er generelt i størrelsesorden ca 25 MeV. En alpha partikkel kan bli sett på som å være inni en potensiell barriere som vegger er 25 MeV over potensialet på uendelig. Men, tannråte alfa-partikler bare har energier fra rundt 4 til 9 MeV over potensialet på uendelig, langt mindre enn den energien som trengs for å unnslippe.

Quantum mechanics, derimot, gir alpha partikkel til å flykte via quantum tunneling., Quantum tunneling teori om alpha forfall, uavhengig utviklet av George Gamow og Ronald Wilfred Gurney og Edward Condon i 1928, ble han hyllet som en svært slående bekreftelse av kvanteteori. I hovedsak, alfa-partikkel rømming fra kjernen ikke med å skaffe nok energi til å gå over veggen for å begrense det, men av tunnel gjennom veggen., Gurney og Condon gjort følgende observasjon i sin papir på det:

Det har hittil vært nødvendig å postulere noen spesielle vilkårlig «ustabilitet» av kjernen, men i det følgende merknad, er det påpekt at oppløsningen er en naturlig konsekvens av lovene i kvantemekanikk uten noen spesiell hypotese… Mye har vært skrevet av eksplosiv vold som α-partikkel er kastet fra sin plass i kjernen. Men fra den prosessen som er avbildet ovenfor, ville man heller si at α-partikkel nesten glipper unna ubemerket hen.,

teorien forutsetter at alpha partikkel kan betraktes som en uavhengig partikkel i en kjerne, som er i konstant bevegelse, men holdt i kjernen av elektromagnetiske krefter. På hver kollisjon med frastøtende potensiell barriere av elektromagnetisk kraft, det er en liten ikke-null sannsynlighet for at det vil tunnelen sin vei ut. En alfa-partikkel med en hastighet på 1,5×107 m/s i en kjernefysisk diameter på ca 10-14 m vil kollidere med barriere mer enn 1021 ganger per sekund., Imidlertid, hvis sannsynligheten for å rømme i hver kollisjon er svært liten, half-life av radioisotop vil være veldig lang tid, siden det er den tiden som kreves for den totale sannsynligheten for å flykte for å nå 50%. Som et ekstremt eksempel half-life of the trauma-vismut-209 er 2.01×1019 år.

isotoper i beta-forfall stabil isobarene som også er stabil med hensyn til å doble beta forfall med masse tall A = 5, A = 8, 143 ≤ A ≤ 155, 160 ≤ A ≤ 162, og En ≥ 165 teoretisert å gjennomgå alpha forfall. Alle andre masse tall (isobarer) har nøyaktig ett teoretisk stabil nuclide)., De med masse 5 forfall til helium-4 og et proton eller et nøytron, og de med masse 8 forfall til to helium-4 kjerner, sin halveringstid (helium-5, litium-5, og beryllium-8) er veldig korte, i motsetning til den halve livet for alle andre slike nuclides med En ≤ 209, som er svært lang. (Slike nuclides med En ≤ 209 er opprinnelig nuclides unntatt 146Sm.)

Arbeide ut detaljer om den teorien fører til en ligning om half-life av en radioisotop til forfall energien i alfa-partikler, en teoretisk avledning av det empiriske Geiger–Nuttall loven.