Jádro atomu je složeno z protonů a neutronů, které jsou zase složeny ze základních částic známých jako kvarky. Každý prvek má charakteristický počet protonů, ale může mít různé formy nebo izotopy, každý s jiným počtem neutronů. Prvky se mohou rozpadnout na jiné, pokud proces vede ke stavu nižší energie. Gama záření je rozpadová emise čisté energie.
Radioaktivní rozpad
Zákony kvantové fyziky to předpovídají nestabilní atom ztratí energii rozpadem, ale nedokáže přesně předpovědět, kdy určitý atom podstoupí tento proces. To, co kvantová fyzika dokáže předpovědět, je průměrné množství času, za který se rozpadá částice. První tři objevené typy jaderného rozpadu byly nazvány radioaktivní rozpad a skládají se z alfa, beta a gama rozpadu. Alfa a beta rozpad přeměňují jeden prvek na jiný a jsou často doprovázeny rozpadem gama, který uvolňuje přebytečnou energii z produktů rozpadu.
Emise částic
Úpadek gama je typickým vedlejším produktem emise jaderných částic. Při rozpadu alfa vydává nestabilní atom jádro helia skládající se ze dvou protonů a dvou neutronů. Například jeden izotop uranu má 92 protonů a 146 neutronů. Může procházet rozpadem alfa, stává se elementem thoria a skládá se z 90 protonů a 144 neutronů. Beta rozpad nastává, když se z neutronu stane proton, který v procesu emituje elektron a antineutrino. Například rozpad beta přeměňuje izotop uhlíku se šesti protony a osmi neutrony na dusík obsahující sedm protonů a sedm neutronů.
Gama záření
Emise částic ponechává výsledný atom v excitovaném stavu. Příroda však dává přednost tomu, aby částice přebíraly stav s nejnižší energií nebo základní stav. Za tímto účelem může vzrušené jádro emitovat paprsek gama, který odnáší přebytečnou energii jako elektromagnetické záření. Gama paprsky mají mnohem vyšší frekvence než světelné, což znamená, že mají vyšší obsah energie. Jako všechny formy elektromagnetického záření se gama paprsky pohybují rychlostí světla. Příklad emise gama záření nastává, když kobalt prochází beta rozpadem a stává se niklem. Vzrušený nikl vydává dva paprsky gama, aby spadl do základního stavu energie.
Zvláštní efekty
Vybuzenému jádru obvykle trvá velmi málo času, než vydá paprsek gama. Některá vzrušená jádra jsou však „metastabilní“, což znamená, že mohou oddálit emise gama záření. Zpoždění může trvat jen část sekundy, ale mohlo by se natáhnout během minut, hodin, let nebo i déle. Zpoždění nastává, když rotace jádra zakazuje rozpad gama. Další speciální efekt nastává, když obíhající elektron absorbuje emitovaný gama paprsek a je vyhozen z oběžné dráhy. Toto se nazývá fotoelektrický efekt.