알파 붕괴: 원자핵이 알파 입자를 방출하면서 질량수, 원자 번호가 감소하는 과정

알파 붕괴(Alpha decay)는 방사성 감쇠의 일종이며, 원자핵이 알파 입자를 방출하면서 질량수가 4가 감소하고 또한 원자번호는 2가 감소하는 과정이다. 비교적 무거운 핵종(주로 원자번호 83 이상)에서 일어난다. 예시로 우라늄이 알파붕괴하여 토륨을 만든다.

일반적으로 ${\displaystyle X}$원소가 ${\displaystyle Y}$원소로 알파붕괴 하는 과정은 ${\displaystyle {\ce {^{A}_{Z}X -> ^{A-4}_{Z-2}Y {+}^{4}_{2}He(\alpha)}}}$ 와 같이 표현되며, 이때 방출되는 운동에너지는 ${\displaystyle Y}$원소와 ${\displaystyle \alpha }$입자가 질량에 반비례하여 가지므로, 운동에너지 스펙트럼이 불연속적이다.

예를 들어 우라늄이 알파붕괴를 통해 토륨이 되는 과정은 다음과 같다.

${\displaystyle {}^{2}{}_{92}^{38}{\hbox{U}}\;\to \;{}^{2}{}_{90}^{34}{\hbox{Th}}\;+\;{}_{2}^{4}{\hbox{He}},}$

이 과정은 다음과 같이 간략하게도 쓸 수 있다.

${\displaystyle {}^{238}{\hbox{U}}\;\to \;^{234}{\hbox{Th}}\;+\;\alpha .}$

알파 입자(α)는 헬륨 핵이며, 전체 원자량 및 원자번호는 보존된다. 알파붕괴는 어미핵이 두 개의 딸핵으로 나뉘는 핵분열에서 필수적인 과정이다. 알파붕괴는 기본적으로 양자 터널링 과정이다. 베타붕괴와 알파붕괴가 동시에 일어나는 일부 방사성 물질에서는 헬륨 원자가 생겨난다.

대부분의 알파 입자는 대략 5 MeV의 에너지를 가지고 방출되며, 그 중의 98%는 운동 에너지이고, 환산하면 15,000 km/s 정도의 속도이다.

지구에서 생산되는 헬륨의 대부분은 지하에 매장된 우라늄 및 토륨 등의 광물에서 알파붕괴로 인해 발생한 것이다. 발생 후에 일부는 천연가스 등에 녹아있다가(최대 7%의 부피) 분별증류와 같은 저온 분리 과정을 통해 부산물로 얻어진다.

헬륨은 지구 대기상에 오랫동안 머물러 있다가 서서히 우주 공간으로 빠져나간다. 이는 헬륨자체가 가볍고 다른 원소와 화합물을 이룰 수 없기 때문에 매우 가벼워 지구 중력으로는 잡을 수 없기 때문이다.