Az atom magja protonokból és neutronokból áll, amelyek viszont kvarkként ismert alapvető részecskékből állnak. Mindegyik elemnek jellegzetes számú protonja van, de különféle formájúak vagy izotópok lehetnek, mindegyiknek eltérő számú neutronja van. Az elemek másokra bomlanak, ha a folyamat alacsonyabb energiaállapotot eredményez. A gammasugárzás a tiszta energia bomlási kibocsátása.
Radioaktív bomlás
A kvantumfizika törvényei azt jósolják instabil atom a bomlás révén elveszíti az energiáját, de nem tudja pontosan megjósolni, hogy egy adott atom mikor megy keresztül ezen a folyamaton. A kvantumfizika által leginkább megjósolható az az átlagos idő, amelyet egy részecskegyűjtemény elbomlik. Az első három felfedezett nukleáris bomlást radioaktív bomlásnak nevezték el, és az alfa, a béta és a gamma bomlásból állnak. Az alfa- és béta-bomlás egyik elemet átalakítja a másikba, és gyakran gamma-bomlás kíséri, amely felesleges energiát szabadít fel a bomlástermékekből.
Részecskekibocsátás
A gamma bomlás a magrészecske-kibocsátás tipikus mellékterméke. Az alfa-bomlás során egy instabil atom két protonból és két neutronból álló héliummagot bocsát ki. Például az urán egyik izotópjában 92 proton és 146 neutron van. Alfa-bomláson megy keresztül, a tórium elemmé válva 90 protonból és 144 neutronból áll. A béta-bomlás akkor következik be, amikor egy neutron protonná válik, és közben elektronot és antineutrinót bocsát ki. Például a béta-bomlás a hat protont és nyolc neutront tartalmazó szén-izotópot hét protont és hét neutront tartalmazó nitrogénné változtatja.
Gammasugárzás
A részecskekibocsátás gyakran a kapott atomot gerjesztett állapotban hagyja. A természet azonban jobban szereti, ha a részecskék a legkevesebb energiát vagy alapállapotot veszik fel. Ebből a célból egy gerjesztett mag kibocsáthat egy gammasugarat, amely elektromágneses sugárzásként viszi el a felesleges energiát. A gammasugarak frekvenciája sokkal magasabb, mint a fényé, ami azt jelenti, hogy magasabb energiatartalommal rendelkeznek. Mint minden elektromágneses sugárzás, a gammasugarak is fénysebességgel mozognak. Példa a gammasugár-emisszióra akkor fordul elő, amikor a kobalt béta-bomláson megy keresztül, hogy nikkel legyen. A gerjesztett nikkel két gammasugarat bocsát ki annak érdekében, hogy az energia alapállapotába süllyedjen.
Különleges hatások
Általában nagyon kevés időbe telik, míg egy gerjesztett mag gamma-sugárzást bocsát ki. Bizonyos gerjesztett magok azonban „metastabilak”, vagyis késleltethetik a gammasugár-emissziót. A késés csak egy másodpercig tarthat, de akár percek, órák, évek vagy akár tovább is elhúzódhat. A késés akkor következik be, amikor a mag forgása tiltja a gamma bomlását. Egy másik különleges hatás akkor következik be, amikor a keringő elektron elnyeli a kibocsátott gammasugarat, és kilökődik a pályáról. Ez fotoelektromos hatás néven ismert.