Poland

Poprzedni rozdział opowiadał o skalach wielkości obiektów. Koncentrowaliśmy się przede wszystkim na nanoskali oraz na podstawowych informacjach o molekułach, atomach i jądrach atomowych. Teraz pójdziemy o krok dalej – przyjrzymy się temu, co może dziać się z jądrem atomowym.
Jednym z najbardziej rozbudowanych działów fizyki jądrowej jest dział dotyczący promieniotwórczości (zwanej alternatywnie radioaktywnością) - naturalnemu zjawisku, któremu podlegają niektóre jądra. Radioaktywność jest wszędzie wokół nas: w glebie, przestrzeni kosmicznej, a nawet w nas samych. Wpływowi promieniowania jesteśmy poddani bez przerwy, nie tylko wtedy, gdy musimy się prześwietlić za pomocą aparatu rentgenowskiego. Niezwykle ważną sprawą jest więc to, abyśmy zrozumieli na czym polega radioaktywność.

W obecnym rozdziale omówimy jej odkrycie, pokażemy, skąd ona się bierze oraz zilustrujemy jak oddziałuje z naszym otoczeniem.

Radioaktywność została odkryta w 1896 roku przez Henri Becquerela, podczas gdy wykonywał on doświadczenia z promieniowaniem rentgenowskim, czyli tzw. promieniowaniem X. Uważano wtedy, że materiały zawierające uran emitują promienie rentgenowskie po zaabsorbowaniu światła słonecznego. Becquerel zaplanował eksperyment mający potwierdzić to zjawisko - postanowił użyć kliszy fotograficznej, o której było wiadomo, że ulega zaczernieniu pod wpływem promieni X. W dniu eksperymentu niebo było zachmurzone, więc Becquerel założył, że eksperyment nie powiódł się. Na szczęście postanowił wywołać kliszę. Ku swojemu ogromnemu zdziwieniu stwierdził, że klisza zaczerniła się pomimo braku słońca – materiał, który był w tę kliszę owinięty, emitował promieniowanie niezależnie od eksponowania go na słońce, co było sprzeczne z wyjściową hipotezą. W tej sytuacji uczony postanowił zbadać, czy zaczernienie spowodowane zostało promieniowaniem X, czy też innym rodzajem promieniowania. Umieścił więc materiał, czyli źródło, oraz kliszę fotograficzną w komorze próżniowej, która znajdowała się w polu magnetycznym – schemat układu eksperymentalnego pokazany jest na rysunku. Było wiadomo, że promienie rentgenowskie nie niosą ładunku – są neutralne, a więc nie będą zakrzywiane przez pole magnetyczne. Wynik był jednak inny, po wywołaniu kliszy okazało się, że promienie emitowane przez materiał poddany badaniu (źródło) zakrzywiają się w polu magnetycznym. Kiedy użył innego źródła, stwierdził, że promienie zakrzywiają się w przeciwną stronę. W przypadku próby z jeszcze innym materiałem nie zaobserwował żadnego zakrzywienia. Stało się oczywiste, że istnieją trzy rodzaje promieniowania emitowanego przez materiały: neutralne albo naładowane elektrycznie dodatnio lub ujemnie.
Wielu uczonych poświęciło swoją karierę na badanie tego nowego zjawiska, w tym Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie, którzy odkryli nowe pierwiastki promieniotwórcze: polon i rad. Rutherford, odkrywca jądra atomowego, o którym przed chwilą mówiliśmy, także pracował nad radioaktywnością, badając różne rodzaje źródeł i ich właściwości. To właśnie Rutherford nadał nazwy różnym rodzajom promieniowania: alfa, beta i gamma, używając kolejnych liter alfabetu greckiego. O cząstkach alfa już wspominaliśmy jako o cząstkach użytych do badania wnętrza atomów złota przez Rutherforda, niemniej jednak teraz zajmiemy się nimi w sposób bardziej szczegółowy. Wiemy już, że źródłami radioaktywności mogą być związki uranu. Rodzi się pytanie: gdzie jeszcze można znaleźć radioaktywność i czym ona jest?

Wiemy, że niektóre pierwiastki są radioaktywne, a inne nie. Oznacza to, że radioaktywność jest generowana na poziomie atomowym. Aby to lepiej zrozumieć musimy więc przyjrzeć się atomom, w szczególności jądrom atomowym.

Istnieją trzy rodzaje promieniowania pochodzącego z atomów promieniotwórczych: alfa, beta i gamma. Są to cząstki lub porcje (kwanty) energii emitowane z jądra atomu, jeżeli jądro jest niestabilne. Można powiedzieć, że mamy do czynienia z rozpadem jąder atomowych ze względu na ich niestabilność.

Pojawia się pytanie: dlaczego niektóre atomy są niestabilne, a inne stabilne?
Odpowiedź będzie udzielona w dalszej części, natomiast teraz możemy po prostu powiedzieć, że to ze względu na liczbę nukleonów w jądrze, w szczególności ze względu na stosunek protonów do neutronów. Różne typy promieniowania są emitowane z atomów o różnych rodzajach niestabilności, stąd też różne źródła emitują różne promieniowanie.  

Własność nietrwałości nie jest jedynie cechą pewnych jąder atomowych. Nawet protony prawdopodobnie będą w końcu się rozpadały, jednak czas, w którym to nastąpi, to więcej niż 1034 lat! Z punktu widzenia skali ludzkiego życia na Ziemi, protony uważa się więc za stabilne.

Mamy już wyobrażenie o tym, czym jest promieniowanie, musimy się zatem zorientować, gdzie można je zaobserwować.

Radioaktywność jest własnością nie tylko tych pierwiastków, o których mówiliśmy, czyli uranu lub radu. One są, co prawda, najsilniejszymi źródłami naturalnymi jakie znamy, ale radioaktywność występuje w dużo mniejszym stopniu w wielu innych miejscach. Promieniowanie, które Becquerel zidentyfikował jako wysyłane przez uran, emitowane jest również ze skał, przychodzi z kosmosu, z powietrza, którym oddychamy, z wody, którą pijemy, jest obecne w morzu, w którym pływamy, a także we własnym naszym ciele.

Możesz być zaskoczony tym, że Ty, jak i wszyscy ludzie, jesteś radioaktywny(a). Możesz pewnie myśleć, że odpowiedzialne są za to nowe technologie, które ludzkość rozwinęła: elektrownie jądrowe, komputery, czy obrazowanie medyczne za pomocą promieni rentgenowskich lub magnetycznego rezonansu. Byłbyś/byłabyś jednak w błędzie. Tak długo, jak istnieje życie na Ziemi, wszystkie rośliny i zwierzęta były radioaktywne. Jest to częścią historii życia na ziemi. Przyjrzyjmy się zatem dokładniej, gdzie tak naprawdę napotykamy promieniotwórczość.

Ziemia

Pierwiastki promieniotwórcze są na Ziemi wszędzie wokół nas. Na przykład wiele minerałów, zwłaszcza granit, zawiera związki uranu. I rzeczywiście, w glebie i w skałach uran występuje w prawie tak dużej obfitości, jak metale takie jak cyna, cynk lub wolfram. Niemniej jednak inne pierwiastki radioaktywne, takie jak tor, są jeszcze bardziej powszechne – na Ziemi toru jest około trzy razy tyle co uranu. W XIX wieku, tuż przed tym jak zastąpiono oświetlenie gazowe oświetleniem elektrycznym, tlenek toru był używany w lampach gazowych w celu uzyskania dużej jasności światła. Tor ma swoje duże znaczenie także w 21 wieku - może być stosowany również jako paliwo w elektrowniach jądrowych.

Zdjęcie ilustruje zawartość uranu w skałach. Obok odważnika o wadze 10 kg, położone są trzy druciki o łącznej wadze 30 miligramów. Taki jest właśnie stosunek masy uranu do masy skały, która go zawiera.

Obecność uranu i innych materiałów promieniotwórczych w skałach jest więc łatwa do wykrycia – właśnie emitowane przez te materiały promieniowanie stanowi w dużej części to, co nazywamy promieniowaniem tła. Działaniu promieniowania tła pochodzącego z otoczenia, w którym żyjemy, jesteśmy poddani przez całe nasze życie, czy chcemy tego czy nie. Nasze organizmy mają sposoby radzenia sobie z tym zjawiskiem – będziemy o nim dyskutowali w kolejnych częściach.

Zamieszczona mapa pokazuje rozkład promieniowania tła w Europie. Różnice pomiędzy obszarami wynikają głównie z różnic w rodzajach skał, które przeważają na terytorium danego państwa. Na przykład, w południowo-zachodniej Anglii grunt składa się głównie z granitu, a więc promieniowanie tła w tym obszarze jest wyższe niż w pozostałej części kraju, w której występuje głównie wapień. Z kolei obszary środkowej Francji mają bardzo wysoki poziom promieniowania z powodu obecności gazowego radonu, który ulatnia się ze skał. Oprócz skał istnieją inne naturalne źródła promieniowania, którym jesteśmy poddani.

Przestrzeń kosmiczna

We Wszechświecie istnieje wiele źródeł różnych rodzajów promieniowania, włączając radiogalaktyki z superluminalnymi (pozornie szybszymi od prędkości światła) dżetami, czarnymi dziurami, a nawet po prostu planety w naszym własnym układzie słonecznym. Astronomowie korzystają z wyspecjalizowanych teleskopów do badania tych rodzajów promieniowania, które obejmują promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma, Źródła te emitują promieniowanie w każdym kierunku i może do nas docierać nawet promieniowanie z obiektów odległych od nas o setki i tysiące lat świetlnych. To, co do nas dociera jako pochodzące z błędnych źródeł promieniowania nazywane jest promieniowaniem kosmicznym. W istocie rzeczy, im będziemy się wyżej wspinać, tym więcej napotkamy tego promieniowania. Na szczytach gór zmierzymy znacznie więcej promieniowania niż na poziomie morza, gdyż promieniowanie musi przejść przez mniejsze warstwy atmosfery.


Trudno jest uciec od promieniowania kosmicznego, co jest czasem wielkim kłopotem dla astronomów. Czasami istnieje bowiem konieczność pomiarów bardzo niewielkiej ilości promieniowania. Tak się dzieje, gdy chcemy zmierzyć nadzwyczaj słabe, nadzwyczaj odległe źródła promieniowania gamma, które w naszym kierunku wysyłają niewiele promieniowania. Tak się zdarza również wtedy, gdy badamy rozszerzanie się Wszechświata i promieniowanie mikrofalowe, które temu towarzyszy.

Próba pomiarów bardzo słabych sygnałów na powierzchni Ziemi byłaby skazana na niepowodzenie, gdyż w przeważającej ilości promieniowania kosmicznego promieniowanie to byłoby niewidoczne. Właśnie z tego względu niektóre obserwatoria umiejscawia się głęboko pod Ziemią, unikając przy tym, oczywiście, granitów zawierających wiele uranu.Jeden z eksperymentów wymagających takich warunków jest nastawiony na detekcję cząstki elementarnej, o której powiemy później - neutrina.

Obraz z prawej strony pokazuje detektor neutrin umiejscowiony 1,4 km pod masywem górskim we Włoszech.

Woda morska

Kiedy rzeki przepływają pomiędzy skałami i glebą, niosą ze sobą wszystkie możliwe sole rozpuszczone w wodzie. Z czasem, gdy woda ogrzewana słońcem odparowuje, koncentracja soli wzrasta. Ponieważ większość skał zawiera trochę uranu, nie możemy się dziwić, że morza także zawierają sole uranu. Czyni to morza nieco radioaktywnymi i to nie tylko ze względu na uran, gdyż między innymi substancjami znajdujemy także 40K (mówimy potas-40). Właśnie ta postać potasu czyni też nasze ciała promieniotwórczymi.


Średnio biorąc, woda morska zawiera około trzech miligramów uranu w każdym tysiącu litrów, tj. metrze sześciennym. Może to niewiele, ale uważa się, że jeśli koszt wydobycia uranu z wody morskiej spadłby około dziesięciokrotnie w stosunku do obecnej ceny, uran mógłby zostać korzystnie wydobywany z wody morskiej! Gdyby obecne źródła uranu uległy wyczerpywaniu, elektrownie jądrowe mogłyby korzystać z uranu wydobywanego z morza.

W powietrzu

Powietrze, które wdychamy, zawiera małą ilość radioaktywnej postaci węgla, znanego jako 14C (mówimy "węgiel-czternaście"; w niektórych książkach oznaczany jest jako 14C, węgiel-14). Atomy węgla-14 powstają w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego w atmosferze. Promienie kosmiczne przechodzą wiele transformacji, które obejmują też tworzenie neutronów termicznych. Neutrony te oddziałują ze znajdującymi się w atmosferze atomami azotu-14. W reakcji jądrowej neutronu z azotem-14 tworzą się jądra atomów węgla-14 i protony. Powstałe atomy węgla prowadzą do powstania cząsteczek dwutlenku węgla, które rośliny wychwytują z powietrza, aby w reakcji fotosyntezy powstał cukier i celuloza. Efektywnie więc pochłaniają one węgiel-14. Ten z kolei przechodzi do nas kiedy zjadamy rośliny, a nawet gdy jemy mięso zwierząt, które zjadały te rośliny. Fakt, że wszystkie żyjące stworzenia pobierają węgiel-14 aż do śmierci można wykorzystać w datowaniu ich pozostałości, które przebywały w gruncie setki i tysiące lat. Proces ten każe się nam zastanowić nad okresem połowicznego zaniku atomów promieniotwórczych. Będziemy o tym jeszcze mówili.

W nas

Spożywany przez nas codziennie każdy gram pożywienia zawiera dwa do trzech miligramów potasu. Oznacza to, że w każdym kilogramie naszych ciał rozpada się około 50 atomów potasu emitując w każdej sekundzie odpowiednie cząstki. Pamiętajmy też, że gdy zjadamy rośliny (lub mięso zwierząt, które zjadały rośliny), absorbujemy atomy węgla-14, które są także radioaktywne. W naszych ciałach możemy znaleźć też śladowe ilości innych promieniotwórczych atomów, jak np. uranu. Jeśli przydarzy się wam połknąć trochę wody morskiej, wprowadzicie do swych ciał trochę uranu, gdyż ta woda zawiera śladowe ilości tego pierwiastka.


Omówiliśmy już, w jaki sposób promienie kosmiczne produkują węgiel-14, który wykorzystywany jest do tworzenia węglowodorów, gdy zostaną pochłonięte przez rośliny i następnie przez zwierzęta. a wreszcie przez nas samych. Węgiel-14 wchodzi zatem w łańcuch pokarmowy wszystkich żyjących istot, które mogą być eksponowane na działanie węgla.

Duże dawki promieniowania jonizującego mogą być śmiertelne. Tysiące ludzi zmarło w wyniku promieniowania powstałego w wybuchu bomb jądrowych zrzuconych nad Hiroszimą i Nagasaki w 1945 r. Nie tak dawno, w roku 1986, 28 ludzi zmarło wskutek promieniowania powstałego w wyniku eksplozji elektrowni jądrowej w Czarnobylu na Ukrainie. Temat ten jest bardziej rozwinięty w części "Zyski i ryzyko", a także w części historycznej.
Ilość promieniowania, które może zniszczyć nasze zdrowie jest znacznie większa niż promieniowanie naturalne pochodzące z promieniowania kosmicznego, skał itd. Każda z naszych komórek, która może ulec zniszczeniu przez takie źródła może się sama reperować i tylko niektóre z nich pozostaną zniszczone. W wypadku dużych dawek promieniowania zniszczeniu niepodlegającemu reperacji ulega wiele komórek i to właśnie czyni promieniowanie niebezpiecznym.
Wiemy, że rośliny i zwierzęta żyły i rozwijały się przez miliardy lat w polu promieniowania jonizującego. Tak więc o tym, czy promieniowanie to jest niebezpieczne decyduje ilość otrzymanego promieniowania. Nawet zbyt wiele zwykłej soli może zabić człowieka i dlatego właśnie ludzie dryfujący na oceanie mogą umrzeć z pragnienia! Jak się mówi, zbyt wiele czegokolwiek jest niedobre.
Tak więc, skąd mamy wiedzieć ile promieniowania jonizującego to "zbyt wiele"? Przede wszystkim musimy zrozumieć działanie różnych rodzajów promieniowania i niebezpieczeństwo z nimi związane. Poziom promieniowania, który może być dla nas groźny, omówimy w rozdziale poświęconym aktywności i oddziaływaniu promieniowania z materią.

Czym jest promieniotwórczość dowiedzieliśmy się w poprzednim podrozdziale: to rozpad niestabilnych jąder atomowych, w którym emitowane są cząstki lub energia. Teraz zobaczymy, co powoduje, że jądro atomu jest niestabilne i jakie mamy rodzaje promieniowania.

Izotopy

Wiemy, że atom składa się z jądra, które składa się z protonów i neutronów oraz z elektronów krążących wokół jądra. Wiemy też, że atomy są elektrycznie obojętne, podczas gdy jony, które atom zgubił lub przyłączył, są naładowane. Kluczem do zrozumienia promieniotwórczości są izotopy.
Mówiliśmy, że węgiel-14 jest promieniotwórczy, podczas gdy zwykły węgiel-12 nie. Czym zatem różni się węgiel-14 od węgla-12? Rożnica leży w budowie ich jąder atomowych. W obu wypadkach mamy do czynienia z węglem, co oznacza tą samą liczbę protonów lub taką samą liczbę atomową. To właśnie czyni pierwiastek chemiczny tym, czym on jest. Jeśli zmienimy liczbę elektronów w atomie, przekształcimy atom w jon. Możemy więc zmienić tylko liczbę neutronów. Mówimy więc, że węgiel-14 jest izotopem węgla-12, a różnica między nimi polega głównie na posiadaniu przez węgiel-14 dwóch neutronów więcej niż ma węgiel-12. Z tego też powodu między tymi dwoma izotopami występuje różnica mas.


Każdy pierwiastek ma wiele izotopów. Słynnym przykładem jest deuter - izotop wodoru, w którego jądrze mamy jeden proton i jeden neutron. Deuter jest używany do stworzenia ciężkiej wody, która ma wiele zastosowań, włączając detekcję neutrin i moderowanie neutronów w reaktorach jądrowych.
Niestabilne izotopy znajdują często zastosowanie w medycynie i mogą być bezpiecznie użyte gdyż ich okres połowicznego zaniku jest krótki. Problemem jest, że takie izotopy nie zawsze znajdują się na Ziemi i wtedy muszą być wytwarzane w szpitalach w urządzeniach zwanych cyklotronami, które przyspieszają jony, krążące dzięki elektromagnesom po orbitach kołowych, do nadzwyczaj dużych prędkości. Cyklotrony istnieją w wielu rozmiarach, zależnie od ich wykorzystania i produkowanych przezeń radioizotopów. W takich urządzeniach cząstki naładowane zderzają się z jądrami atomowymi, w wyniku czego powstają izotopy. Słowo radioizotop oznacza izotop niestabilny i promieniotwórczy.
Najbardziej stabilnymi wersjami pierwiastków są te, które wykazujemy w Układzie Okresowym Pierwiastków i które są najpowszechniej spotykane. Ta powszechność wynika właśnie z ich stabilności; izotopy niestabilne rozpadły się już do bardziej stabilnych pierwiastków. Co więc czyni jeden pierwiastek bardziej stabilnym niż drugi?

Stabilność

W podrozdziale opisującym jądra atomowe wspomnieliśmy, że nukleony są utrzymywane w jądrze dzięki potężnym siłom jądrowym (oddziaływaniom silnym), które przezwyciężają silne odpychanie elektrostatyczne między protonami w jądrze. To jest właśnie kluczem do zrozumienia niestabilności jąder atomowych. Zarówno na neutrony jak i protony działają siły jądrowe, ale jedynie protony odpychają się, tak więc neutrony działają w kierunku wzmacniania sił jądrowych, pozwalających na utrzymanie jądra w całości bez wnoszenia dodatkowych sił elektrostatycznych.
Po takim wywodzie można byłoby się spodziewać, że im więcej znajdzie się neutronów w jądrze, tym będzie ono bardziej stabilne. To jednak nie jest tak: jądra są stabilne tylko w wypadku szczególnego stosunku liczby neutronów do liczby protonów, ok. 1 - 1,6. Poza tym obszarem jądra są niestabilne i będą rozpadały się. Na przykład, azot jest stabilny i ten stosunek wynosi 1: w jego jądrze znajduje się 7 neutronów i 7 protonów. Z drugiej strony, ołów, który również jest stabilny, ma 82 protony i 126 neutronów, tj. wspomniany stosunek wynosi 1,54. Poniżej pokazujemy wykres, który pokazuje obszar stabilności, zgodnie z liczbami protonów i neutronów w jądrach.

Pokazuje on także trzy mechanizmy rozpadów zależnie od miejsca jądra na wykresie. Gdy jądro ma niedomiar protonów, rozpada się drogą rozpadu beta (lub beta minus). Jeśli jednak, to neutronów jest za mało, rozpad idzie drogą przeciwną - rozpadu z emisją pozytonu (nazywany też beta plus). Alternatywą do tego jest proces zwany wychwytem elektronów, w którym jądro "absorbuje" elektron z powłoki atomowej i otrzymujemy efektywnie ten sam wynik jak w procesie beta plus. W wypadku jąder ciężkich korzystną rzeczą jest utrata masy poprzez rozpad (promieniotwórczy), ale w ogólności jądra trochę lżejsze emitują w rozpadzie cząstkę alfa (dwa protony i dwa neutrony).

Gdy atomy rozpadną się drogą procesu beta lub alfa, zmienia się liczba protonów w jądrze, czyli zmienia się sam pierwiastek chemiczny - ten proces nazywamy transmutacją. Pewnie słyszeliście o badaniach podejmowanych przez uczonych przed zrozumieniem istoty pierwiastków - była to alchemia. Uczeni ci próbowali przekształcić jedną substancję w inną, głównie w złoto. W zasadzie chodziło o transmutację, czyli coś co wykonywane jest przez niestabilne jądra atomowe, czasem kilka razy nim osiągnie się jądro stabilne. Każdy z rodzajów rozpadu promieniotwórczego zostanie omówiony w następnym rozdziale.

Energia wiązania

Bardzo istotnym pojęciem w fizyce jądrowej jest energia wiązania. Istnieje kilka rodzajów tej energii, dla naszych celów będziemy jednak rozmawiali jedynie o energii wiązania nukleonów w jądrach. Energia wiązania jądra to jest ilość energii, którą byśmy potrzebowali włożyć do jądra aby przezwyciężyć odpychanie jego nukleonów i rozłożyć ją na nie wszystkie. Energia wiązania dla całego jądra jest mniejsza niż energia sumy jego składowych, co jest innym powodem utrzymywania się jądra w całości. Dla nukleonów jest energetycznie bardziej korzystne (tj. zmniejsza się energia zespołu cząstek) utworzyć wspólnie jądro niż pozostawać w separacji. Wielkością, którą możemy się wygodnie posługiwać jest energia wiązania na nukleon.

Istnieje pewna graniczna wartość masy jądra atomowego, powyżej której siły jądrowe nie będą już w stanie utrzymać najbardziej zewnętrznych nukleonów. Największym takim jest jądro uranu zawierające 238 nukleonów. Jednak nawet i to jądro jest bardzo niestabilne, gdyż wiemy, że uran jest promieniotwórczy, a więc niestabilny i musi się rozpadać.


Rozpad alfa pozwala jądru na zmniejszenie masy celem poprawienia stabilności przez emisję cząstki alfa - jądra helu. Jądro wyjściowe straci w ten sposób cztery nukleony: dwa protony i dwa neutrony i dokona transmutacji dzięki utracie protonów. Właśnie cząstki alfa były użyte w eksperymencie Rutherforda z ich rozpraszaniem na atomach aby móc zbadać strukturę atomów.
Jak wspomnieliśmy, rozpad alfa prowadzi do zmniejszenia masy jądra, jednakże jest on możliwy tylko wtedy, gdy energia wiązania na nukleon nie znajduje się w minimum. Tak więc w wypadku jąder cięższych od niklu obserwowano go dla najmasywniejszych jąder od telluru wzwyż. Rozpad alfa jest przykładem procesu, który nazywamy "tunelowaniem kwantowym". Jądro atomu tworzy, jak pokazuje diagram, studnię energii potencjalnej, która utrzymuje cząstkę alfa wewnątrz jądra.

Energia cząstki musi być większa niż głębokość studni, aby cząstka mogła się z niej wydobyć. W mechanice klasycznej rozpad alfa nie byłby możliwy - cząstki alfa nigdy nie mogłyby opuścić jądra atomowego. Mechanika kwantowa jednak pozwala na efekt tunelowania, w którym istnieje mała szansa statystyczna istnienia cząstki poza studnią energii potencjalnej. Dzięki temu cząstka może tunelować przez barierę (ścianę studni) i pojawić się na zewnątrz jądra.

Jedną z pierwszych charakterystyk pozwalającej na rozróżnianie między różnymi typami promieniowania jest ich przenikliwość przez różne materiały. Cząstki alfa są masywne i poruszają się względnie wolno, dzięki czemu jest wielce prawdopodobną rzeczą ich oddziaływanie z innymi cząstkami, z którymi będą miały kontakt. Oznacza to, że będą mogły przenikać tylko przez kilka centymetrów powietrza lub cienką warstwę papieru czy aluminium.


Istnieje wiele źródeł alfa, a najsławniejszym z nich jest uran. Uran rozpada się emitując cząstkę alfa (α) i transmutuje się do toru, zgodnie z poniższym równaniem:

238U → 234Th + α

To tylkop pierwszy krok w rozpadzie uranu - potrzeba jeszcze wielu innych rozpadów nim osiągnie się stan całkowicie stabilny.