Isoimmat atomiytimet ovat epästabiileja, koska vahva vuorovaikutus ei kykene täysin kumoamaan ytimen protonien välisiä sähköisiä poistovoimia. Nämä ytimet hajoavat vapauttamalla alfasäteilyä eli heliumytimiä, jotka koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Tapahtumaa kutsutaan alfahajoamiseksi.

Koska alfahiukkaset ovat suuria, ne voivat aiheuttaa suurta vahinkoa. Kokonsa takia alfahiukkasten nopeudet ovat alhaisimmat verrattuna beeta- ja gammasäteilyhiukkasiin. Hiukkasten suuren koon vuoksi pelkkä ilmakerros tai ihmisen iho pysäyttää ne kuitenkin helposti. Ruoan tai hengitysilman välityksellä kehoon sisään pääsevä alfa-aktiivinen aine on sen sijaan erittäin vaarallista. Esimerkiksi alfa-aktiiviset radonytimet kulkeutuvat hengittäessä keuhkoihin, mikä nostaa keuhkosyöpäriskiä. Hengitysilman radon on suurin säteilyaltistusriski suomalaisille.

Esimerkki alfa-aktiivisesta aineesta on uraanin isotooppi U-238. Se hajoaa spontaanisti toriumin isotoopiksi Th-234. Hajoaminen näkyy videolla alla. Sen reaktioyhtälö on

[[$ \qquad ^{238}_{\ \ 92}\text{U} \rightarrow {^{234}_{\ \ 90}\text{Th}}+{^4_2\text{He}} $]]

​