Hvilket utslipp av kjerneforfall består bare av energi?

Kjernen til et atom er sammensatt av protoner og nøytroner, som igjen er sammensatt av grunnleggende partikler kjent som kvarker. Hvert element har et karakteristisk antall protoner, men kan ha en rekke former, eller isotoper, hver med et annet antall nøytroner. Elementer kan forfalle til andre hvis prosessen resulterer i en lavere energitilstand. Gamma-stråling er et utslipp av ren energi.

Lovene til kvantefysikk forutsier det et ustabilt atom vil miste energi gjennom forfall, men kan ikke forutsi nøyaktig når et bestemt atom vil gjennomgå denne prosessen. Det mest som kvantefysikk kan forutsi er den gjennomsnittlige tiden det tar en samling av partikler å forfalle. De tre første typene av kjernefysisk forfall oppdaget ble kalt radioaktivt forfall og består av alfa-, beta- og gamma-forfall. Alpha- og beta-forfall overfører ett element til et annet og ledsages ofte av gammaforfall, som frigjør overflødig energi fra forfallsproduktene.

Gamma-forfall er et typisk biprodukt av kjernepartikkelutslipp. I alfa-forfall avgir et ustabilt atom en heliumkjerne bestående av to protoner og to nøytroner. For eksempel har en isotop av uran 92 protoner og 146 nøytroner. Det kan gjennomgå alfa-forfall, bli elementet thorium og bestå av 90 protoner og 144 nøytroner. Beta-forfall oppstår når et nøytron blir et proton, og avgir et elektron og antineutrino i prosessen. For eksempel omdanner beta-forfall en karbonisotop med seks protoner og åtte nøytroner til nitrogen som inneholder syv protoner og syv nøytroner.

Partikkelutslipp etterlater ofte det resulterende atomet i en eksitert tilstand. Naturen foretrekker imidlertid at partikler antar tilstanden med minst energi, eller jordtilstand. For dette formål kan en opphisset kjerne avgi en gammastråle som fører bort overflødig energi som elektromagnetisk stråling. Gammastråler har mye høyere frekvenser enn for lys, noe som betyr at de har et høyere energiinnhold. Som alle former for elektromagnetisk stråling beveger gammastråler seg med lysets hastighet. Et eksempel på gammastråleutslipp oppstår når kobolt gjennomgår beta-forfall for å bli nikkel. Det glade nikkelet avgir to gammastråler for å falle ned til bakkenergi.

Det tar vanligvis veldig lite tid for en opphisset kjerne å avgi en gammastråle. Imidlertid er visse eksiterte kjerner "metastabile", noe som betyr at de kan forsinke gammastråleutslipp. Forsinkelsen kan bare vare en del av et sekund, men kan strekke seg over minutter, timer, år eller enda lenger. Forsinkelsen oppstår når sentrifugeringen av kjernen forbyr gammaforfall. En annen spesiell effekt oppstår når et baneelektron absorberer en utsendt gammastråle og kastes ut fra en bane. Dette er kjent som den fotoelektriske effekten.