Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan koostuvat kvarkkeina tunnetuista perushiukkasista. Jokaisella elementillä on ominainen määrä protoneja, mutta ne voivat olla monenlaisia tai isotooppeja, joista jokaisella on erilainen määrä neutroneja. Elementit voivat hajota muiksi, jos prosessi johtaa pienempään energiatilaan. Gammasäteily on puhtaan energian hajoava päästö.
Radioaktiivinen hajoaminen
Kvanttifysiikan lait ennustavat sen epävakaa atomi menettää energiaa hajoamisen kautta, mutta ei voi ennustaa tarkalleen, milloin tietylle atomille tehdään tämä prosessi. Eniten kvanttifysiikka voi ennustaa on keskimääräinen aika, jonka hiukkasten kokoelma hajoaa. Kolme ensimmäistä löydettyä ydinräjähdystyyppiä kutsuttiin radioaktiiviseksi rappeutumiseksi ja ne koostuvat alfa-, beeta- ja gammahajoamisesta. Alfa- ja beeta-hajoaminen muuntaa yhden elementin toiseen, ja siihen liittyy usein gammahajotus, joka vapauttaa liikaa energiaa hajoamistuotteista.
Hiukkaspäästöt
Gamma-hajoaminen on tyypillinen ydinhiukkaspäästöjen sivutuote. Alfa-hajoamisessa epästabiili atomi lähettää heliumytimen, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Esimerkiksi yhdessä uraanin isotoopissa on 92 protonia ja 146 neutronia. Se voi käydä läpi alfa-hajoamisen, josta tulee torium-elementti ja joka koostuu 90 protonista ja 144 neutronista. Beetahajoaminen tapahtuu, kun neutronista tulee protoni, joka emittoi prosessissa elektronia ja antineutrinoa. Esimerkiksi beeta-hajoaminen muuttaa hiili-isotoopin, jossa on kuusi protonia ja kahdeksan neutronia, typeksi, joka sisältää seitsemän protonia ja seitsemän neutronia.
Gammasäteily
Hiukkaspäästöt jättävät syntyneen atomin usein viritettyyn tilaan. Luonto kuitenkin pitää parempana, että hiukkaset ottavat vähiten energiaa tai perustilan. Tätä varten innostunut ydin voi lähettää gammasäteen, joka kuljettaa ylimääräisen energian sähkömagneettisena säteilynä. Gammasäteillä on paljon korkeammat taajuudet kuin valolla, mikä tarkoittaa, että niiden energiasisältö on suurempi. Kuten kaikki sähkömagneettisen säteilyn muodot, gammasäteet liikkuvat valon nopeudella. Esimerkki gammasäteilystä tapahtuu, kun koboltti käy läpi beetahajoamisen nikkeliksi. Innoissaan oleva nikkeli antaa kaksi gammasädettä pudotakseen energiansa perustilaan.
Erikoistehosteet
Tavallisesti innostuneesta ytimestä kuluu hyvin vähän aikaa gammasäteen lähettämiseen. Tietyt viritetyt ytimet ovat kuitenkin "metastabiilia", mikä tarkoittaa, että ne voivat viivästyttää gammasäteilyä. Viive voi kestää vain osan sekunnista, mutta se voi kestää useita minuutteja, tunteja, vuosia tai jopa pidempään. Viive tapahtuu, kun ytimen spin kieltää gamman hajoamisen. Toinen erityinen vaikutus tapahtuu, kun kiertävä elektroni absorboi emittoidun gammasäteen ja työnnetään kiertoradalta. Tätä kutsutaan valosähköiseksi vaikutukseksi.