Ядрото на атома е съставено от протони и неутрони, които от своя страна са съставени от основни частици, известни като кварки. Всеки елемент има характерен брой протони, но може да има различни форми или изотопи, всеки с различен брой неутрони. Елементите могат да се разпаднат на други, ако процесът доведе до по-ниско енергийно състояние. Гама-лъчението е разпадаща се емисия на чиста енергия.
Радиоактивно разпадане
Законите на квантовата физика предсказват това нестабилен атом ще загуби енергия чрез разпадане, но не може да прогнозира точно кога даден атом ще претърпи този процес. Най-много, което квантовата физика може да предвиди, е средното време, необходимо на колекцията от частици да се разпадне. Първите три вида ядрен разпад бяха открити като радиоактивен разпад и се състоят от алфа, бета и гама разпад. Алфа и бета разпадът трансмутират един елемент в друг и често са придружени от гама разпад, който освобождава излишната енергия от продуктите на разпадането.
Емисия на частици
Гама-разпадът е типичен страничен продукт от емисията на ядрени частици. При алфа разпад нестабилен атом излъчва ядро на хелий, състоящо се от два протона и два неутрона. Например, един изотоп на урана има 92 протона и 146 неутрона. Той може да претърпи алфа разпад, превръщайки се в елемент торий и състоящ се от 90 протона и 144 неутрона. Бета-разпад се получава, когато неутронът се превърне в протон, излъчвайки електрон и антинеутрино в процеса. Например, бета разпадането превръща въглеродния изотоп с шест протона и осем неутрона в азот, съдържащ седем протона и седем неутрона.
Гама лъчение
Емисията на частици често оставя получения атом във възбудено състояние. Природата обаче предпочита частиците да приемат състоянието на най-малко енергия или основно състояние. За тази цел възбудено ядро може да излъчи гама лъч, който отвежда излишната енергия като електромагнитно излъчване. Гама лъчите имат много по-високи честоти от тези на светлината, което означава, че имат по-високо енергийно съдържание. Както всички форми на електромагнитно излъчване, гама лъчите се движат със скоростта на светлината. Пример за излъчване на гама лъчи възниква, когато кобалтът претърпи бета разпад, за да стане никел. Възбуденият никел излъчва два гама лъча, за да спадне до основното си състояние на енергия.
Специални ефекти
Обикновено отнема много малко време на възбудено ядро да излъчи гама лъч. Някои възбудени ядра обаче са „метастабилни“, което означава, че могат да забавят излъчването на гама лъчи. Забавянето може да продължи само част от секундата, но може да се разтегне за минути, часове, години или дори повече. Забавянето настъпва, когато спинът на ядрото забранява гама-разпадането. Друг специален ефект се получава, когато орбитален електрон поглъща излъчен гама лъч и се изхвърля от орбитата. Това е известно като фотоелектрически ефект.