Jezgra atoma sastoji se od protona i neutrona, koji su pak sastavljeni od temeljnih čestica poznatih kao kvarkovi. Svaki element ima karakterističan broj protona, ali može imati različite oblike ili izotope, svaki s različitim brojem neutrona. Elementi se mogu raspasti u druge ako proces rezultira nižim energetskim stanjem. Gama zračenje je raspadajuća emisija čiste energije.
Radioaktivni raspad
Zakoni kvantne fizike to predviđaju nestabilan atom izgubit će energiju raspadanjem, ali ne može precizno predvidjeti kada će određeni atom proći ovaj proces. Najviše što kvantna fizika može predvidjeti je prosječno vrijeme propadanja zbirke čestica. Prve tri otkrivene vrste nuklearnog raspada nazvane su radioaktivnim raspadom i sastoje se od alfa, beta i gama raspada. Alfa i beta raspad transformiraju jedan element u drugi i često ih prati gama raspad, koji oslobađa višak energije iz proizvoda raspada.
Emisija čestica
Gama raspad tipični je nusprodukt emisije nuklearnih čestica. U alfa raspadu, nestabilni atom emitira jezgru helija koja se sastoji od dva protona i dva neutrona. Na primjer, jedan izotop urana ima 92 protona i 146 neutrona. Može proći alfa raspad, postajući element torij i sastoji se od 90 protona i 144 neutrona. Beta raspad se događa kada neutron postane proton, emitirajući pritom elektron i antineutrino. Na primjer, beta raspad pretvara izotop ugljika sa šest protona i osam neutrona u dušik koji sadrži sedam protona i sedam neutrona.
Gama zračenje
Emisija čestica često rezultirajući atom ostavlja u pobuđenom stanju. Priroda, međutim, više voli da čestice preuzmu stanje najmanje energije ili osnovno stanje. U tu svrhu uzbuđena jezgra može emitirati gama zraku koja odvodi suvišak energije kao elektromagnetsko zračenje. Gama zrake imaju mnogo veće frekvencije od svjetlosnih, što znači da imaju veći energetski sadržaj. Kao i svi oblici elektromagnetskog zračenja, i gama zrake kreću se brzinom svjetlosti. Primjer emisije gama zraka javlja se kada kobalt prođe kroz beta raspad da bi postao nikal. Uzbuđeni nikal daje dvije gama zrake kako bi se spustio u svoje osnovno stanje energije.
Specijalni efekti
Obično treba vrlo malo vremena da uzbuđena jezgra emitira gama zraku. Međutim, određene uzbuđene jezgre su "metastabilne", što znači da mogu odgoditi emisiju gama zraka. Kašnjenje može trajati samo dio sekunde, ali bi se moglo protezati na nekoliko minuta, sati, godina ili čak i duže. Do kašnjenja dolazi kada spin jezgre zabrani raspad gama. Sljedeći se posebni efekt događa kada elektron u orbiti upije emitiranu gama zraku i izbaci se iz orbite. To je poznato kao fotoelektrični efekt.