Qual emissão de decomposição nuclear consiste apenas em energia?

O núcleo de um átomo é composto de prótons e nêutrons, que por sua vez são compostos de partículas fundamentais conhecidas como quarks. Cada elemento tem um número característico de prótons, mas pode assumir uma variedade de formas, ou isótopos, cada um com um número diferente de nêutrons. Os elementos podem se decompor em outros se o processo resultar em um estado de energia inferior. A radiação gama é uma emissão de decomposição de energia pura.

As leis da física quântica prevêem que um átomo instável perderá energia com a decadência, mas não pode prever com precisão quando um átomo em particular passará por esse processo. O máximo que a física quântica pode prever é a quantidade média de tempo que uma coleção de partículas levará para se decompor. Os primeiros três tipos de decaimento nuclear descobertos foram chamados de decaimento radioativo e consistem nos decaimentos alfa, beta e gama. O decaimento alfa e beta transmuta um elemento em outro e geralmente é acompanhado pelo decaimento gama, que libera o excesso de energia dos produtos de decadência.

O decaimento gama é um subproduto típico da emissão de partículas nucleares. No decaimento alfa, um átomo instável emite um núcleo de hélio que consiste em dois prótons e dois nêutrons. Por exemplo, um isótopo de urânio tem 92 prótons e 146 nêutrons. Ele pode sofrer decaimento alfa, tornando-se o elemento tório e consistindo de 90 prótons e 144 nêutrons. O decaimento beta ocorre quando um nêutron se torna um próton, emitindo um elétron e um antineutrino no processo. Por exemplo, o decaimento beta transforma um isótopo de carbono com seis prótons e oito nêutrons em nitrogênio contendo sete prótons e sete nêutrons.

A emissão de partículas freqüentemente deixa o átomo resultante em um estado excitado. A natureza, entretanto, prefere que as partículas assumam o estado de menor energia, ou estado fundamental. Para tanto, um núcleo excitado pode emitir um raio gama que leva embora o excesso de energia na forma de radiação eletromagnética. Os raios gama têm frequências muito mais altas do que os da luz, o que significa que têm um conteúdo de energia mais alto. Como todas as formas de radiação eletromagnética, os raios gama se movem na velocidade da luz. Um exemplo de emissão de raios gama ocorre quando o cobalto sofre decadência beta para se tornar níquel. O níquel excitado emite dois raios gama para cair em seu estado fundamental de energia.

Geralmente, leva muito pouco tempo para um núcleo excitado emitir um raio gama. No entanto, certos núcleos excitados são "metaestáveis", o que significa que podem atrasar a emissão de raios gama. O atraso pode durar apenas uma porção de um segundo, mas pode se estender por minutos, horas, anos ou até mais. O atraso ocorre quando o spin do núcleo proíbe o decaimento gama. Outro efeito especial ocorre quando um elétron em órbita absorve um raio gama emitido e é ejetado da órbita. Isso é conhecido como efeito fotoelétrico.