阿尔法衰变是放射性的一种形式：不稳定的原子核发射一个阿尔法粒子，即含有两个质子和两个中子的氦-4核。原来的原子核称为母核，衰变后形成的子核属于另一种化学元素。许多重放射性核素都具有发射阿尔法粒子的特性，包括铀、镭和钋的同位素。量子隧穿理论对这一过程的解释，将原子核的转变与微观系统的概率行为联系起来。(epa.gov)
原子核的转变
阿尔法衰变的一般核反应方程为
[ {}^{A}{Z}X\rightarrow{}^{A-4}{Z-2}Y+{}^{4}_{2}\mathrm{He}. ]
其中，(Z) 为原子序数，表示质子数；(A) 为质量数，表示质子与中子的总数。因此，子核比母核少两个质子和两个中子。方程明确体现了电荷守恒与核子数守恒。由于质子数决定化学元素的种类，阿尔法衰变属于核嬗变，而不是化学反应。(nucleus.iaea.org)
一个重要的例子是
[ {}^{238}{92}\mathrm{U}\rightarrow {}^{234}{90}\mathrm{Th}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}. ]
铀-238的半衰期约为44.7亿年。它的直接子核钍-234仍具有放射性；后续转变沿着一系列衰变继续进行，最终生成稳定的铅-206。因此，阿尔法粒子的发射往往只是较长的放射性衰变链中的一个环节，而不是直接转变为稳定原子核。这样的衰变链还可能包含贝塔衰变。(osha.gov)
发射出的粒子最初带有两个正的基本电荷。在物质中减速后，它可以俘获电子，成为中性的氦原子。阿尔法辐射与氦之间的联系，是早期核研究中的一项关键实验发现。(nobelprize.org)
能量释放与反冲
一次衰变中可释放的能量称为其 (Q) 值。用原子核的静止质量表示，
[ Q=\left(M_X-M_Y-M_\alpha\right)c^2, ]
其中 (c) 为光速。这体现了质能等价：总静止质量的减少转化为衰变产物携带的能量。自发发射阿尔法粒子要求释放的能量为正，但仅仅在能量上允许发生，并不能决定衰变进行的快慢。(ocw.mit.edu)
对于初始处于静止状态的母核，动量守恒使阿尔法粒子与子核向相反方向运动，二者的动量大小相等。由于子核的质量大得多，阿尔法粒子获得了可用动能中的大部分。在非相对论性二体近似下，对于给定的子核状态，
[ E_\alpha=Q\frac{M_Y}{M_Y+M_\alpha}. ]
其余能量表现为子核的反冲动能。(www-nds.iaea.org)
母核可以衰变到子核的不同离散能级，从而产生多条阿尔法能谱线。如果子核处于激发态，随后还可能发射伽马射线。这些特征能量提供了有关核结构的信息，也使人们能够通过光谱学识别放射性同位素。(nucleus.iaea.org)
量子机制
阿尔法粒子的发射给经典力学带来了难题。在短距离内，与强相互作用有关的核吸引力将核子束缚在一起。在原子核外，带正电的阿尔法粒子与子核之间的静电斥力形成了势垒。能量低于势垒最大值的阿尔法粒子，仅凭经典运动无法逃逸。(ocw.mit.edu)
然而，在量子力学中，粒子的波函数可以延伸到经典力学所禁止的区域。非零的透射概率使粒子能够通过量子隧穿穿过势垒。这不需要借用能量，也不违反能量守恒，而是体现了波函数与在核外发现粒子的概率之间的量子关系。(ocw.mit.edu)
穿透概率对势垒和衰变能有很强的依赖性。因此，能量上的小幅差异可能伴随着衰变速率的巨大差异。简化的阿尔法粒子—子核模型可以描述这一行为，但不应据此认为，每个母核内部都始终存在一个独立的、预先形成的阿尔法粒子。(ocw.mit.edu)
衰变速率与盖革—努塔尔定律
盖革—努塔尔定律将阿尔法衰变的半衰期与发射粒子的能量联系起来。对于同一同位素链中的核素，通常可近似表示为
[ \log_{10}T_{1/2}=\frac{a}{\sqrt{E_\alpha}}+b, ]
其中系数由实验确定，各物理量须采用一致的单位。阿尔法粒子能量越高，穿过势垒逃逸的概率通常越大，因此对应的分支半衰期一般越短。(arxiv.org)
这一关系并不是一个对所有原子核都采用相同系数的普适公式。核结构和阿尔法粒子的形成特性会影响其准确性，也会导致偏离。因此，现代微观理论既研究所发射粒子团簇的形成，也研究其穿过外部势垒的过程。(arxiv.org)
与物质的相互作用及应用
阿尔法粒子会沿着短距离的运动路径产生密集的电离。它们迅速损失能量，穿透能力较低；通常由衰变产生的阿尔法粒子无法穿透完整皮肤的外层。这使其有别于穿透力强的伽马辐射。不过，进入体内的阿尔法放射性物质可以直接照射敏感组织，因此，对外部组织的穿透力低，并不意味着这类物质本身无害。(epa.gov)
电离式烟雾探测器利用了这种相互作用。一个小型镅-241源使探测室内的空气电离，从而形成电流。烟雾进入探测室后会扰乱该电流，触发警报。放射源封装在探测器组件内部。(nrc.gov)
阿尔法衰变也为放射性同位素热电发生器提供热量。钚-238通过发射阿尔法粒子释放能量；周围物质吸收这些能量后将其转化为热，热电装置再将热转化为电能，为航天器供电。在地质学中，包含阿尔法衰变的衰变序列是放射性测年的基础，其中包括通过测量矿物中母体和子体同位素来确定年代的铀—铅测年法。(science.nasa.gov)
历史发展
欧内斯特·卢瑟福于1899年将阿尔法辐射区分为一种独立的辐射类型。在1908年12月11日的诺贝尔演讲中，他介绍了与托马斯·罗伊兹共同进行的实验：收集到的阿尔法粒子产生了氦的特征光谱。粒子电荷的测量结果支持了将阿尔法粒子认定为带两个正电荷的氦这一结论。后来的阿尔法粒子散射实验提供了原子核集中于很小空间内的证据，使天然阿尔法放射源成为核物理学发展过程中的重要工具。(nobelprize.org)