Il nucleo di un atomo è composto da protoni e neutroni, che a loro volta sono composti da particelle fondamentali note come quark. Ogni elemento ha un numero caratteristico di protoni ma può assumere una varietà di forme, o isotopi, ciascuno con un diverso numero di neutroni. Gli elementi possono decadere in altri se il processo determina uno stato energetico inferiore. La radiazione gamma è un'emissione di decadimento di energia pura.
Decadimento radioattivo
Le leggi della fisica quantistica lo prevedono un atomo instabile perderà energia attraverso il decadimento ma non può prevedere con precisione quando un particolare atomo subirà questo processo. Il massimo che la fisica quantistica può prevedere è il tempo medio impiegato da un insieme di particelle per decadere. I primi tre tipi di decadimento nucleare scoperti sono stati soprannominati decadimento radioattivo e consistono nel decadimento alfa, beta e gamma. Il decadimento alfa e beta trasmutano un elemento in un altro e sono spesso accompagnati dal decadimento gamma, che rilascia energia in eccesso dai prodotti di decadimento.
Emissione di particelle
Il decadimento gamma è un tipico sottoprodotto dell'emissione di particelle nucleari. Nel decadimento alfa, un atomo instabile emette un nucleo di elio composto da due protoni e due neutroni. Ad esempio, un isotopo dell'uranio ha 92 protoni e 146 neutroni. Può subire un decadimento alfa, diventando l'elemento torio e composto da 90 protoni e 144 neutroni. Il decadimento beta si verifica quando un neutrone diventa un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino nel processo. Ad esempio, il decadimento beta trasforma un isotopo di carbonio con sei protoni e otto neutroni in azoto contenente sette protoni e sette neutroni.
Radiazioni Gamma
L'emissione di particelle spesso lascia l'atomo risultante in uno stato eccitato. La natura, invece, preferisce che le particelle assumano lo stato di minima energia, o stato fondamentale. A tal fine, un nucleo eccitato può emettere un raggio gamma che porta via l'energia in eccesso sotto forma di radiazione elettromagnetica. I raggi gamma hanno frequenze molto più alte di quelle della luce, il che significa che hanno un contenuto energetico più elevato. Come tutte le forme di radiazione elettromagnetica, i raggi gamma si muovono alla velocità della luce. Un esempio di emissione di raggi gamma si verifica quando il cobalto subisce un decadimento beta per diventare nichel. Il nichel eccitato emette due raggi gamma per scendere al suo stato fondamentale di energia.
Effetti speciali
Di solito ci vuole pochissimo tempo perché un nucleo eccitato emetta un raggio gamma. Tuttavia, alcuni nuclei eccitati sono "metastabili", nel senso che possono ritardare l'emissione di raggi gamma. Il ritardo può durare solo una frazione di secondo, ma può estendersi per minuti, ore, anni o anche di più. Il ritardo si verifica quando lo spin del nucleo proibisce il decadimento gamma. Un altro effetto speciale si verifica quando un elettrone orbitante assorbe un raggio gamma emesso e viene espulso dall'orbita. Questo è noto come effetto fotoelettrico.