Vilket utsläpp av kärnförfall består endast av energi?

Kärnan i en atom består av protoner och neutroner, som i sin tur består av grundläggande partiklar som kallas kvarker. Varje element har ett karakteristiskt antal protoner men kan ha olika former, eller isotoper, var och en med olika antal neutroner. Element kan förfalla till andra om processen resulterar i ett lägre energitillstånd. Gamma-strålning är ett sönderfall av ren energi.

Kvantfysikens lagar förutsäger det en instabil atom kommer att förlora energi genom förfall men kan inte förutsäga exakt när en viss atom kommer att genomgå denna process. Det mest som kvantfysik kan förutsäga är den genomsnittliga tid det tar att en partikelsamling tar sönder. De första tre typerna av kärnförfall som upptäcktes kallades radioaktivt förfall och består av alfa-, beta- och gammaförfall. Alfa- och beta-sönderdelning överför ett element till ett annat och åtföljs ofta av gammaförfall som frigör överflödig energi från sönderfallsprodukterna.

Gamma-sönderfall är en typisk biprodukt av kärnpartikelemission. I alfa-sönderfall avger en instabil atom en heliumkärna bestående av två protoner och två neutroner. Till exempel har en isotop av uran 92 protoner och 146 neutroner. Det kan genomgå alfa-sönderfall, bli grundämnet thorium och bestå av 90 protoner och 144 neutroner. Betaförfall uppstår när en neutron blir en proton, som emitterar en elektron och antineutrino i processen. Betaförfall förvandlar till exempel en kolisotop med sex protoner och åtta neutroner till kväve som innehåller sju protoner och sju neutroner.

Partikelemission lämnar ofta den resulterande atomen i ett upphetsat tillstånd. Naturen föredrar emellertid att partiklar antar tillståndet med minst energi eller jordtillstånd. För detta ändamål kan en upphetsad kärna avge en gammastråle som bär bort överflödig energi som elektromagnetisk strålning. Gamma-strålar har mycket högre frekvenser än ljusets, vilket innebär att de har ett högre energiinnehåll. Liksom alla former av elektromagnetisk strålning rör sig gammastrålar med ljusets hastighet. Ett exempel på gammastrålningsemission uppstår när kobolt genomgår betaförfall för att bli nickel. Det upphetsade nicklet avger två gammastrålar för att falla ner till dess energitillstånd.

Det tar vanligtvis mycket kort tid för en upphetsad kärna att avge en gammastråle. Men vissa upphetsade kärnor är "metastabila", vilket betyder att de kan fördröja gammastrålning. Förseningen kan bara pågå en del av en sekund men kan sträcka sig över minuter, timmar, år eller till och med längre. Fördröjningen inträffar när centrifugeringen av kärnan förbjuder gammaförfall. En annan speciell effekt uppstår när en kretsande elektron absorberar en emitterad gammastråle och matas ut från omloppsbanan. Detta är känt som den fotoelektriska effekten.