Le noyau d'un atome est composé de protons et de neutrons, eux-mêmes composés de particules fondamentales appelées quarks. Chaque élément a un nombre caractéristique de protons mais peut prendre diverses formes, ou isotopes, chacun avec un nombre différent de neutrons. Les éléments peuvent se désintégrer en d'autres si le processus aboutit à un état d'énergie inférieur. Le rayonnement gamma est une émission de désintégration d'énergie pure.
Désintégration radioactive
Les lois de la physique quantique prédisent que un atome instable perdra de l'énergie par désintégration mais ne peut pas prévoir précisément quand un atome particulier subira ce processus. Le mieux que la physique quantique puisse prédire est le temps moyen qu'il faudra à une collection de particules pour se désintégrer. Les trois premiers types de désintégration nucléaire découverts ont été appelés désintégration radioactive et se composent des désintégrations alpha, bêta et gamma. Les désintégrations alpha et bêta transmutent un élément en un autre et s'accompagnent souvent d'une désintégration gamma, qui libère l'excès d'énergie des produits de désintégration.
Émission de particules
La désintégration gamma est un sous-produit typique de l'émission de particules nucléaires. Dans la désintégration alpha, un atome instable émet un noyau d'hélium composé de deux protons et de deux neutrons. Par exemple, un isotope de l'uranium contient 92 protons et 146 neutrons. Il peut subir une désintégration alpha, devenant l'élément thorium et composé de 90 protons et 144 neutrons. La désintégration bêta se produit lorsqu'un neutron devient un proton, émettant un électron et un antineutrino dans le processus. Par exemple, la désintégration bêta transforme un isotope du carbone avec six protons et huit neutrons en azote contenant sept protons et sept neutrons.
Rayonnement gamma
L'émission de particules laisse souvent l'atome résultant dans un état excité. La nature, cependant, préfère que les particules assument l'état de moindre énergie, ou l'état fondamental. À cette fin, un noyau excité peut émettre un rayon gamma qui emporte l'excès d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Les rayons gamma ont des fréquences beaucoup plus élevées que celles de la lumière, ce qui signifie qu'ils ont un contenu énergétique plus élevé. Comme toutes les formes de rayonnement électromagnétique, les rayons gamma se déplacent à la vitesse de la lumière. Un exemple d'émission de rayons gamma se produit lorsque le cobalt subit une désintégration bêta pour devenir du nickel. Le nickel excité émet deux rayons gamma afin de redescendre à son état d'énergie fondamental.
Effets spéciaux
Il faut généralement très peu de temps à un noyau excité pour émettre un rayon gamma. Cependant, certains noyaux excités sont « métastables », ce qui signifie qu'ils peuvent retarder l'émission de rayons gamma. Le retard peut ne durer qu'une partie de seconde mais peut s'étendre sur des minutes, des heures, des années ou même plus. Le retard se produit lorsque la rotation du noyau interdit la désintégration gamma. Un autre effet spécial se produit lorsqu'un électron en orbite absorbe un rayon gamma émis et est éjecté de l'orbite. C'est ce qu'on appelle l'effet photoélectrique.