Atomo branduolį sudaro protonai ir neutronai, kurie savo ruožtu susideda iš pagrindinių dalelių, vadinamų kvarkais. Kiekvienas elementas turi būdingą protonų skaičių, tačiau gali būti įvairių formų arba izotopų, kurių kiekvienas turi skirtingą neutronų skaičių. Elementai gali suskaidyti į kitus, jei proceso rezultatas yra mažesnė energijos būsena. Gama spinduliuotė yra grynosios energijos skilimas.
Radioaktyvusis skilimas
Kvantinės fizikos dėsniai tai numato nestabilus atomas neteks energijos per skilimą, tačiau negali tiksliai numatyti, kada tam tikras atomas patirs šį procesą. Daugiausia, ką kvantinė fizika gali nuspėti, yra vidutinis laikas, kurį suges dalelių rinkinys. Pirmieji trys atrasti branduolio skilimo tipai buvo pavadinti radioaktyviuoju skilimu ir susideda iš alfa, beta ir gama skilimo. Alfa ir beta skilimas transformuoja vieną elementą į kitą ir dažnai lydimas gama skilimo, kuris išskiria perteklinę energiją iš skilimo produktų.
Dalelių emisija
Gama skilimas yra tipiškas branduolinių dalelių emisijos šalutinis produktas. Alfa skilimo metu nestabilus atomas išskiria helio branduolį, susidedantį iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Pavyzdžiui, viename urano izotope yra 92 protonai ir 146 neutronai. Jis gali patirti alfa skilimą, tapdamas torio elementu ir susideda iš 90 protonų ir 144 neutronų. Beta skilimas įvyksta, kai neutronas tampa protonu, kuris proceso metu išskiria elektroną ir antineutrino. Pavyzdžiui, beta skilimas anglies izotopą su šešiais protonais ir aštuoniais neutronais paverčia azotu, kuriame yra septyni protonai ir septyni neutronai.
Gama spinduliuotė
Dalelių emisija dažnai palieka sužadintą būseną. Tačiau gamta nori, kad dalelės įgautų mažiausiai energijos arba pagrindinę būseną. Šiuo tikslu sužadintas branduolys gali skleisti gama spindulį, kuris perneša energijos perteklių kaip elektromagnetinę spinduliuotę. Gama spinduliai turi daug aukštesnius nei šviesos dažnius, o tai reiškia, kad jie turi didesnį energijos kiekį. Kaip ir visos elektromagnetinės spinduliuotės formos, gama spinduliai juda šviesos greičiu. Gama spindulių emisijos pavyzdys įvyksta, kai kobaltas patiria beta skilimą ir tampa nikeliu. Susijaudinęs nikelis išskiria du gama spindulius, kad sumažėtų iki pagrindinės energijos būsenos.
Specialieji efektai
Paprastai susijaudinusiam branduoliui skleisti gama spindulį reikia labai nedaug. Tačiau tam tikri sužadinti branduoliai yra „metastabilūs“, vadinasi, jie gali atitolinti gama spindulių spinduliavimą. Vėlavimas gali trukti tik dalį sekundės, tačiau gali trukti kelias minutes, valandas, metus ar net ilgiau. Vėlavimas įvyksta, kai branduolio sukimas draudžia gama skilimą. Kitas ypatingas efektas atsiranda, kai orbitinis elektronas sugeria spinduliuojamą gama spindulį ir išmetamas iš orbitos. Tai vadinama fotoelektriniu efektu.