Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus fundamentalen Teilchen, den sogenannten Quarks, bestehen. Jedes Element hat eine charakteristische Anzahl von Protonen, kann jedoch eine Vielzahl von Formen oder Isotopen mit jeweils einer anderen Anzahl von Neutronen annehmen. Elemente können in andere zerfallen, wenn der Prozess zu einem niedrigeren Energiezustand führt. Gammastrahlung ist eine Zerfallsemission reiner Energie.
Radioaktiver Zerfall
Die Gesetze der Quantenphysik sagen voraus, dass ein instabiles Atom wird durch Zerfall Energie verlieren, kann aber nicht genau vorhersagen, wann ein bestimmtes Atom diesen Prozess durchläuft. Das Höchste, was die Quantenphysik vorhersagen kann, ist die durchschnittliche Zeit, die eine Ansammlung von Teilchen zum Zerfall benötigt. Die ersten drei entdeckten Arten von Kernzerfall wurden als radioaktiver Zerfall bezeichnet und bestehen aus dem Alpha-, Beta- und Gammazerfall. Alpha- und Betazerfall wandeln ein Element in ein anderes um und werden oft von einem Gammazerfall begleitet, der überschüssige Energie aus den Zerfallsprodukten freisetzt.
Partikelemission
Der Gammazerfall ist ein typisches Nebenprodukt der nuklearen Partikelemission. Beim Alpha-Zerfall emittiert ein instabiles Atom einen Heliumkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Ein Uranisotop hat beispielsweise 92 Protonen und 146 Neutronen. Es kann einem Alpha-Zerfall unterliegen, wird zum Element Thorium und besteht aus 90 Protonen und 144 Neutronen. Beta-Zerfall tritt auf, wenn ein Neutron zu einem Proton wird und dabei ein Elektron und Antineutrino emittiert. Beispielsweise verwandelt Betazerfall ein Kohlenstoffisotop mit sechs Protonen und acht Neutronen in Stickstoff mit sieben Protonen und sieben Neutronen.
Gammastrahlung
Die Teilchenemission belässt das resultierende Atom oft in einem angeregten Zustand. Die Natur zieht es jedoch vor, dass Teilchen den Zustand der geringsten Energie oder den Grundzustand einnehmen. Dazu kann ein angeregter Kern einen Gammastrahl aussenden, der die überschüssige Energie als elektromagnetische Strahlung abtransportiert. Gammastrahlen haben viel höhere Frequenzen als Licht, das heißt, sie haben einen höheren Energiegehalt. Wie alle Formen elektromagnetischer Strahlung bewegen sich Gammastrahlen mit Lichtgeschwindigkeit. Ein Beispiel für die Emission von Gammastrahlen tritt auf, wenn Kobalt einem Beta-Zerfall unterliegt, um zu Nickel zu werden. Das angeregte Nickel gibt zwei Gammastrahlen ab, um in seinen Energiegrundzustand zu sinken.
Spezialeffekte
Normalerweise dauert es sehr kurz, bis ein angeregter Kern einen Gammastrahl aussendet. Bestimmte angeregte Kerne sind jedoch „metastabil“, was bedeutet, dass sie die Emission von Gammastrahlen verzögern können. Die Verzögerung kann nur einen Bruchteil einer Sekunde dauern, kann sich aber über Minuten, Stunden, Jahre oder sogar noch länger erstrecken. Die Verzögerung tritt auf, wenn der Spin des Kerns den Gammazerfall verhindert. Ein weiterer besonderer Effekt tritt auf, wenn ein umlaufendes Elektron einen emittierten Gammastrahl absorbiert und aus der Umlaufbahn ausgestoßen wird. Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet.