Aatomi tuum koosneb prootonitest ja neutronitest, mis omakorda koosnevad kvarkidena tuntud põhiosakestest. Igal elemendil on iseloomulik prootonite arv, kuid neil võib olla mitmesuguseid vorme või isotoope, millest igaühel on erinev neutronite arv. Elemendid võivad laguneda teisteks, kui protsessi tulemuseks on madalam energiaolek. Gammakiirgus on puhta energia lagunev heide.
Radioaktiivne lagunemine
Kvantfüüsika seadused ennustavad seda ebastabiilne aatom kaotab lagunemise kaudu energiat, kuid ei oska täpselt prognoosida, millal konkreetne aatom selle protsessi läbib. Kvantfüüsika suudab kõige rohkem ennustada, kui palju aega kulub osakeste kogu lagunemiseks. Esimesed kolm avastatud tuumade lagunemise tüüpi nimetati radioaktiivseks lagunemiseks ja need koosnevad alfa-, beeta- ja gamma lagundamisest. Alfa- ja beetalagunemine muundab ühe elemendi teiseks ja sellega kaasneb sageli gamma lagunemine, mis eraldab lagunemisproduktidest liigset energiat.
Osakeste heide
Gamma lagunemine on tuumaosakeste emissiooni tüüpiline kõrvalprodukt. Alfa lagunemisel eraldab ebastabiilne aatom heeliumi tuuma, mis koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Näiteks ühel uraani isotoopil on 92 prootonit ja 146 neutronit. See võib läbida alfa lagunemise, muutudes tooriumi elemendiks ja koosneb 90 prootonist ja 144 neutronist. Beeta lagunemine toimub siis, kui neutronist saab prooton, mis kiirgab protsessi käigus elektroni ja antineutriino. Näiteks beeta lagunemine muudab kuue prootoni ja kaheksa neutroniga süsiniku isotoobi lämmastikuks, mis sisaldab seitset prootonit ja seitset neutronit.
Gamma kiirgus
Osakeste emissioon jätab saadud aatomi sageli ergastatud olekusse. Loodus eelistab siiski seda, et osakesed võtavad energiat kõige vähem ehk põhiseisundi. Selleks võib ergastatud tuum emiteerida gammakiiri, mis viib elektromagnetkiirgusena ära liigse energia. Gammakiirte sagedused on palju kõrgemad kui valguse omad, mis tähendab, et nende energiasisaldus on suurem. Nagu kõik elektromagnetkiirguse vormid, liiguvad ka gammakiired valguse kiirusel. Gamma kiirguse näide ilmneb siis, kui koobalt läbib beeta lagunemise ja muutub nikkeliks. Erutatud nikkel eraldab kaks gammakiirt, et langeda energia põhiseisundini.
Eriefektid
Erutatud tuuma gammakiire kiirgamine võtab tavaliselt väga vähe aega. Teatud ergastatud tuumad on aga "metastabiilsed", mis tähendab, et need võivad gammakiirte kiirgust edasi lükata. Viivitus võib kesta vaid osa sekundist, kuid võib venida minutite, tundide, aastate või isegi kauem. Viivitus tekib siis, kui tuuma pöörlemine keelab gamma lagunemise. Teine eriefekt tekib siis, kui orbiidil olev elektron neelab emiteeritud gammakiire ja visatakse orbiidilt välja. Seda tuntakse fotoelektrilise efektina.