kärnkraften som håller en atomkärna tillsammans är mycket stark, i allmänhet mycket starkare än de repulsiva elektromagnetiska krafterna mellan protonerna. Kärnkraften är emellertid också kortdistans, faller snabbt i styrka bortom ca 1 femtometer, medan den elektromagnetiska kraften har ett obegränsat intervall., Styrkan hos den attraktiva kärnkraften som håller en kärna ihop är sålunda proportionell mot antalet nukleoner, men den totala störande elektromagnetiska kraften som försöker bryta kärnan från varandra är ungefär proportionell mot kvadraten av dess atomnummer. En kärna med 210 eller fler nukleoner är så stor att den starka kärnkraften som håller den ihop bara knappt kan motverka den elektromagnetiska repulsionen mellan protonerna den innehåller. Alfaförfall uppträder i sådana kärnor som ett medel för att öka stabiliteten genom att minska storleken.,
en nyfikenhet är anledningen till att alfapartiklar, heliumkärnor, företrädesvis bör emitteras i motsats till andra partiklar som en enda proton eller neutron eller andra atomkärnor. En del av orsaken är alfapartikelns höga bindningsenergi, vilket innebär att dess massa är mindre än summan av massorna av två protoner och två neutroner. Detta ökar sönderdelningsenergin., Beräkning av den totala sönderfallsenergi som ges av ekvationen
E = ( M I − m f − m p ) c 2 {\displaystyle E=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}}-m_{\text{p}})c^{2}}
där m I {\displaystyle m_{\text{i}}} är kärnans ursprungliga massa, m f {\displaystyle m_{\text{f}}} är massan av kärnan, m f {\displaystyle m_{\text{f}}} är massan av kärnan.Nucleus efter partikelutsläpp och m p {\displaystyle m_ {\text {P}}} är massan av den emitterade partikeln, man finner att det i vissa fall är positivt och så alfa partikelutsläpp är möjligt, medan andra sönderfallslägen skulle kräva att energi läggs till., Till exempel visar beräkningen för uran-232 att alfapartikelutsläpp ger 5,4 MeV energi, medan ett enda protonutsläpp skulle kräva 6,1 MeV. Det mesta av sönderdelningsenergin blir den kinetiska energin hos Alfa-partikeln själv, men för att upprätthålla bevarandet av momentum går en del av energin till kärnans rekyl (se Atomrekylen)., Eftersom massantalet för de flesta alfa-emitterande radioisotoper överstiger 210, långt större än alfapartikelns massantal (4) är fraktionen av den energi som går till kärnans rekyl i allmänhet ganska liten, mindre än 2%.
dessa sönderfallsenergier är dock väsentligt mindre än den repulsiva potentiella barriären som skapas av den elektromagnetiska kraften, vilket förhindrar att alfa-partikeln kommer ut., Den energi som behövs för att få en alfapartikel från oändligheten till en punkt nära kärnan strax utanför kärnkraftens inflytande ligger i allmänhet i intervallet ca 25 MeV. En alfa partikel kan ses som att vara inne i en potentiell barriär vars väggar är 25 MeV över potentialen vid oändligheten. Decay alpha-partiklar har emellertid bara energier på cirka 4 till 9 MeV över potentialen vid oändligheten, långt mindre än den energi som behövs för att fly.
kvantmekanik gör det dock möjligt för alfakortikeln att fly via kvanttunnel., Quantum tunnel teori av alfasönderfall, självständigt utvecklats av George Gamow och Ronald Wilfred Gurney och Edward Condon 1928, hyllades som en mycket slående bekräftelse av kvantteori. I huvudsak flyr alfa-partikeln från kärnan inte genom att förvärva tillräckligt med energi för att passera över väggen som begränsar den, utan genom tunnel genom väggen., Gurney och Condon gjorde följande observation i sitt papper på det:
det har hittills varit nödvändigt att postulera någon speciell godtycklig ”instabilitet” av kärnan, men i följande anmärkning påpekas att sönderdelning är en naturlig följd av kvantmekanikens lagar utan någon speciell hypotes… Mycket har skrivits om det Explosiva våld som A-partikeln slungas från sin plats i kärnan. Men från den process som bilden ovan skulle man hellre säga att α-partikeln nästan glider bort obemärkt.,
teorin förutsätter att alfakortikeln kan betraktas som en oberoende partikel i en kärna, som är i konstant rörelse men hålls inom kärnan av elektromagnetiska krafter. Vid varje kollision med den elektromagnetiska kraftens repulsiva potentiella barriär finns det en liten icke-noll sannolikhet att den kommer att tunnel sin väg ut. En alfapartikel med en hastighet av 1,5×107 m/s inom en Kärndiameter av cirka 10-14 m kommer att kollidera med barriären mer än 1021 gånger per sekund., Om sannolikheten för flykt vid varje kollision är mycket liten kommer radioisotopens halveringstid att vara mycket lång, eftersom det är den tid som krävs för att den totala sannolikheten för flykt ska nå 50%. Som ett extremt exempel är halveringstiden för isotopen vismut-209 2,01×1019 år.
isotoperna i beta-sönderfallsstabila isobarer som också är stabila med avseende på dubbel betaförfall med massnummer a = 5, A = 8, 143 ≤ a ≤ 155, 160 ≤ a ≤ 162 och A ≥ 165 teoretiseras för att genomgå alfaförfall. Alla andra masstal (isobars) har exakt en teoretiskt stabil nuklid)., De med massa 5 sönderfall till helium-4 och en proton eller en neutron, och de med massa 8 sönderfall till två helium – 4 kärnor; deras halveringstider (helium-5, litium-5 och beryllium-8) är mycket korta, till skillnad från halveringstiden för alla andra sådana nuklider med en ≤ 209, som är mycket långa. (Sådana nuklider med en ≤ 209 är primordiala nuklider utom 146Sm.)
att utarbeta detaljerna i teorin leder till en ekvation som relaterar halveringstiden för en radioisotop till sönderfallsenergin hos dess alfapartiklar, en teoretisk avledning av den empiriska Geiger-Nuttall–lagen.