Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц, известных как кварки. Каждый элемент имеет определенное количество протонов, но может принимать различные формы или изотопы, каждый с разным количеством нейтронов. Элементы могут распадаться на другие, если процесс приводит к более низкому энергетическому состоянию. Гамма-излучение - это распад чистой энергии.
Радиоактивный распад
Законы квантовой физики предсказывают, что нестабильный атом потеряет энергию из-за распада, но не может точно предсказать, когда конкретный атом подвергнется этому процессу. Максимум, что может предсказать квантовая физика, - это среднее количество времени, которое потребуется для распада набора частиц. Первые три обнаруженных типа ядерного распада были названы радиоактивным распадом и состоят из альфа-, бета- и гамма-распада. Альфа- и бета-распад превращает один элемент в другой и часто сопровождается гамма-распадом, который высвобождает избыточную энергию из продуктов распада.
Эмиссия частиц
Гамма-распад - типичный побочный продукт эмиссии ядерных частиц. При альфа-распаде нестабильный атом испускает ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Например, один изотоп урана содержит 92 протона и 146 нейтронов. Он может подвергнуться альфа-распаду, превратившись в элемент торий, состоящий из 90 протонов и 144 нейтронов. Бета-распад происходит, когда нейтрон становится протоном, при этом испуская электрон и антинейтрино. Например, бета-распад превращает изотоп углерода с шестью протонами и восемью нейтронами в азот, содержащий семь протонов и семь нейтронов.
Гамма-излучение
Эмиссия частиц часто оставляет атом в возбужденном состоянии. Однако природа предпочитает, чтобы частицы находились в состоянии наименьшей энергии или в основном состоянии. С этой целью возбужденное ядро может испускать гамма-луч, который уносит избыточную энергию в виде электромагнитного излучения. Гамма-лучи имеют гораздо более высокие частоты, чем у света, а это означает, что они имеют более высокое содержание энергии. Как и все формы электромагнитного излучения, гамма-лучи движутся со скоростью света. Пример гамма-излучения происходит, когда кобальт подвергается бета-распаду с образованием никеля. Возбужденный никель испускает два гамма-излучения, чтобы опуститься до своего основного энергетического состояния.
Спецэффекты
Обычно возбужденному ядру требуется очень мало времени, чтобы испустить гамма-излучение. Однако некоторые возбужденные ядра являются «метастабильными», что означает, что они могут задерживать гамма-излучение. Задержка может длиться всего лишь часть секунды, но может растягиваться на минуты, часы, годы или даже дольше. Задержка возникает, когда спин ядра запрещает гамма-распад. Другой особый эффект возникает, когда движущийся по орбите электрон поглощает испускаемое гамма-излучение и выбрасывается с орбиты. Это известно как фотоэлектрический эффект.