De kern van een atoom is samengesteld uit protonen en neutronen, die op hun beurt zijn samengesteld uit fundamentele deeltjes die bekend staan als quarks. Elk element heeft een karakteristiek aantal protonen, maar kan verschillende vormen aannemen, of isotopen, elk met een ander aantal neutronen. Elementen kunnen in andere vervallen als het proces resulteert in een lagere energietoestand. Gammastraling is een verval-emissie van pure energie.
Radioactief verval
De wetten van de kwantumfysica voorspellen dat: een onstabiel atoom zal energie verliezen door verval, maar kan niet precies voorspellen wanneer een bepaald atoom dit proces zal ondergaan. Het meeste dat de kwantumfysica kan voorspellen, is de gemiddelde hoeveelheid tijd die een verzameling deeltjes nodig heeft om te vervallen. De eerste drie soorten nucleair verval die werden ontdekt, werden radioactief verval genoemd en bestaan uit het alfa-, bèta- en gamma-verval. Alfa- en bètaverval transmuteren het ene element in het andere en gaan vaak gepaard met gammaverval, waarbij overtollige energie uit de vervalproducten vrijkomt.
Deeltjesemissie
Gamma-verval is een typisch bijproduct van de emissie van kerndeeltjes. Bij alfa-verval zendt een onstabiel atoom een heliumkern uit die bestaat uit twee protonen en twee neutronen. Een isotoop van uranium heeft bijvoorbeeld 92 protonen en 146 neutronen. Het kan alfa-verval ondergaan en wordt het element thorium en bestaat uit 90 protonen en 144 neutronen. Bèta-verval treedt op wanneer een neutron een proton wordt en daarbij een elektron en antineutrino uitzendt. Bètaverval verandert bijvoorbeeld een koolstofisotoop met zes protonen en acht neutronen in stikstof met zeven protonen en zeven neutronen.
Gammastraling
Deeltjesemissie laat het resulterende atoom vaak in een aangeslagen toestand achter. De natuur geeft er echter de voorkeur aan dat deeltjes de toestand met de minste energie aannemen, oftewel de grondtoestand. Daartoe kan een aangeslagen kern een gammastraling uitzenden die de overtollige energie als elektromagnetische straling wegvoert. Gammastralen hebben veel hogere frequenties dan die van licht, wat betekent dat ze een hogere energie-inhoud hebben. Net als alle vormen van elektromagnetische straling bewegen gammastralen zich met de snelheid van het licht. Een voorbeeld van gammastraling treedt op wanneer kobalt bètaverval ondergaat om nikkel te worden. Het aangeslagen nikkel geeft twee gammastralen af om terug te vallen naar zijn grondtoestand van energie.
Speciale effecten
Het duurt gewoonlijk heel weinig tijd voor een aangeslagen kern om een gammastraal uit te zenden. Bepaalde geëxciteerde kernen zijn echter "metastabiel", wat betekent dat ze de emissie van gammastraling kunnen vertragen. De vertraging kan slechts een deel van een seconde duren, maar kan zich uitstrekken over minuten, uren, jaren of zelfs langer. De vertraging treedt op wanneer de spin van de kern gamma-verval verbiedt. Een ander speciaal effect treedt op wanneer een in een baan rond de aarde draaiend elektron een uitgezonden gammastraal absorbeert en uit de baan wordt gestoten. Dit staat bekend als het foto-elektrisch effect.