El núcleo de un átomo está compuesto por protones y neutrones, que a su vez están compuestos por partículas fundamentales conocidas como quarks. Cada elemento tiene un número característico de protones, pero puede tomar una variedad de formas o isótopos, cada uno con un número diferente de neutrones. Los elementos pueden descomponerse en otros si el proceso da como resultado un estado de menor energía. La radiación gamma es una emisión de desintegración de energía pura.
Desintegración radioactiva
Las leyes de la física cuántica predicen que un átomo inestable perderá energía a través de la desintegración, pero no puede predecir con precisión cuándo un átomo en particular se someterá a este proceso. Lo máximo que puede predecir la física cuántica es la cantidad de tiempo promedio que tardará una colección de partículas en descomponerse. Los primeros tres tipos de desintegración nuclear descubiertos se denominaron desintegración radiactiva y consisten en la desintegración alfa, beta y gamma. La desintegración alfa y beta transmutan un elemento en otro y, a menudo, van acompañadas de desintegración gamma, que libera el exceso de energía de los productos de la desintegración.
Emisión de partículas
La desintegración gamma es un subproducto típico de la emisión de partículas nucleares. En la desintegración alfa, un átomo inestable emite un núcleo de helio que consta de dos protones y dos neutrones. Por ejemplo, un isótopo de uranio tiene 92 protones y 146 neutrones. Puede sufrir desintegración alfa, convirtiéndose en el elemento torio y formado por 90 protones y 144 neutrones. La desintegración beta ocurre cuando un neutrón se convierte en protón, emitiendo un electrón y un antineutrino en el proceso. Por ejemplo, la desintegración beta convierte un isótopo de carbono con seis protones y ocho neutrones en nitrógeno que contiene siete protones y siete neutrones.
Radiación gamma
La emisión de partículas a menudo deja el átomo resultante en un estado excitado. La naturaleza, sin embargo, prefiere que las partículas asuman el estado de menor energía o estado fundamental. Para ello, un núcleo excitado puede emitir un rayo gamma que se lleva el exceso de energía en forma de radiación electromagnética. Los rayos gamma tienen frecuencias mucho más altas que los de la luz, lo que significa que tienen un mayor contenido energético. Como todas las formas de radiación electromagnética, los rayos gamma se mueven a la velocidad de la luz. Un ejemplo de emisión de rayos gamma ocurre cuando el cobalto sufre una desintegración beta para convertirse en níquel. El níquel excitado emite dos rayos gamma para descender a su estado básico de energía.
Efectos especiales
Por lo general, un núcleo excitado tarda muy poco tiempo en emitir un rayo gamma. Sin embargo, ciertos núcleos excitados son "metaestables", lo que significa que pueden retrasar la emisión de rayos gamma. El retraso puede durar solo una parte de un segundo, pero puede extenderse durante minutos, horas, años o incluso más. El retraso ocurre cuando el giro del núcleo prohíbe la desintegración gamma. Otro efecto especial ocurre cuando un electrón en órbita absorbe un rayo gamma emitido y es expulsado de la órbita. Esto se conoce como efecto fotoeléctrico.