Atomens kerne består af protoner og neutroner, som igen er sammensat af grundlæggende partikler kendt som kvarker. Hvert element har et karakteristisk antal protoner, men kan antage en række forskellige former eller isotoper, hver med et forskelligt antal neutroner. Elementer kan henfalde til andre, hvis processen resulterer i en lavere energitilstand. Gamma-stråling er en henfaldsemission af ren energi.
Radioaktivt henfald
Lovene i kvantefysik forudsiger det et ustabilt atom vil miste energi gennem henfald, men kan ikke forudsige præcist, hvornår et bestemt atom vil gennemgå denne proces. Det mest, som kvantefysik kan forudsige, er den gennemsnitlige tid, det tager en samling af partikler at henfalde. De første tre opdagede typer nukleart henfald blev kaldt radioaktivt henfald og består af alfa-, beta- og gamma-henfald. Alfa- og beta-henfald transmitterer et element i et andet og ledsages ofte af gamma-henfald, som frigiver overskydende energi fra nedbrydningsprodukterne.
Partikelemission
Gamma-henfald er et typisk biprodukt af nuklear partikelemission. I alfa-henfald udsender et ustabilt atom en heliumkerne bestående af to protoner og to neutroner. For eksempel har en isotop af uran 92 protoner og 146 neutroner. Det kan gennemgå alfa-henfald, blive elementet thorium og bestå af 90 protoner og 144 neutroner. Beta henfald opstår, når en neutron bliver en proton, der udsender en elektron og antineutrino i processen. For eksempel omdanner beta-henfald en kulstofisotop med seks protoner og otte neutroner til nitrogen, der indeholder syv protoner og syv neutroner.
Gamma-stråling
Partikelemission efterlader ofte det resulterende atom i en ophidset tilstand. Naturen foretrækker dog, at partikler antager tilstanden med mindst energi eller jordtilstand. Til dette formål kan en ophidset kerne udsende en gammastråle, der bærer den overskydende energi væk som elektromagnetisk stråling. Gammastråler har meget højere frekvenser end lysets, hvilket betyder, at de har et højere energiindhold. Som alle former for elektromagnetisk stråling bevæger gammastråler sig med lysets hastighed. Et eksempel på gammastråleemission opstår, når kobolt gennemgår beta-henfald for at blive nikkel. Det ophidsede nikkel afgiver to gammastråler for at falde ned til dets energitilstand.
Specielle effekter
Det tager normalt meget lidt tid for en ophidset kerne at udsende en gammastråle. Imidlertid er visse ophidsede kerner "metastabile", hvilket betyder at de kan forsinke gammastråleemission. Forsinkelsen varer muligvis kun en del af et sekund, men kan strække sig over minutter, timer, år eller endda længere. Forsinkelsen opstår, når kernens centrifugering forbyder gamma-henfald. En anden speciel effekt opstår, når en kredsende elektron absorberer en udsendt gammastråle og skubbes ud fra kredsløb. Dette er kendt som den fotoelektriske effekt.