Jądro atomu składa się z protonów i neutronów, które z kolei składają się z fundamentalnych cząstek znanych jako kwarki. Każdy pierwiastek ma charakterystyczną liczbę protonów, ale może przybierać różne formy lub izotopy, z których każdy ma inną liczbę neutronów. Pierwiastki mogą rozpadać się na inne, jeśli proces prowadzi do niższego stanu energetycznego. Promieniowanie gamma to rozpad czystej energii.
Rozpad radioaktywny
Prawa fizyki kwantowej przewidują, że niestabilny atom straci energię w wyniku rozpadu, ale nie może dokładnie przewidzieć, kiedy dany atom przejdzie ten proces. Fizyka kwantowa może jedynie przewidzieć średni czas rozpadu zbioru cząstek. Pierwsze trzy odkryte typy rozpadu jądrowego zostały nazwane rozpadem radioaktywnym i składają się z rozpadu alfa, beta i gamma. Rozpad alfa i beta przemieniają jeden pierwiastek w drugi i często towarzyszy im rozpad gamma, który uwalnia nadmiar energii z produktów rozpadu.
Emisja cząstek
Rozpad gamma jest typowym produktem ubocznym emisji cząstek jądrowych. W rozpadzie alfa niestabilny atom emituje jądro helu składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Na przykład jeden izotop uranu ma 92 protony i 146 neutronów. Może ulegać rozpadowi alfa, stając się pierwiastkiem toru i składa się z 90 protonów i 144 neutronów. Rozpad beta występuje, gdy neutron staje się protonem, emitując w tym procesie elektron i antyneutrino. Na przykład rozpad beta zamienia izotop węgla z sześcioma protonami i ośmioma neutronami w azot zawierający siedem protonów i siedem neutronów.
Promieniowanie gamma
Emisja cząstek często pozostawia powstały atom w stanie wzbudzonym. Natura woli jednak, aby cząstki przyjmowały stan najmniej energii, czyli stan podstawowy. W tym celu wzbudzone jądro może emitować promieniowanie gamma, które odprowadza nadmiar energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Promienie gamma mają znacznie wyższe częstotliwości niż światło, co oznacza, że mają wyższą zawartość energii. Jak wszystkie formy promieniowania elektromagnetycznego, promienie gamma poruszają się z prędkością światła. Przykład emisji promieniowania gamma występuje, gdy kobalt ulega rozpadowi beta, przekształcając się w nikiel. Wzbudzony nikiel emituje dwa promienie gamma, aby opaść do swojego podstawowego stanu energii.
Efekty specjalne
Zazwyczaj wzbudzone jądro wyemituje promieniowanie gamma. Jednak niektóre wzbudzone jądra są „metastabilne”, co oznacza, że mogą opóźniać emisję promieniowania gamma. Opóźnienie może trwać tylko ułamek sekundy, ale może rozciągać się na minuty, godziny, lata, a nawet dłużej. Opóźnienie występuje, gdy spin jądra uniemożliwia rozpad gamma. Inny efekt specjalny występuje, gdy orbitujący elektron pochłania emitowane promieniowanie gamma i jest wyrzucany z orbity. Nazywa się to efektem fotoelektrycznym.