การปล่อยการสลายตัวของนิวเคลียร์ใดประกอบด้วยพลังงานเท่านั้น?

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่เรียกว่าควาร์ก แต่ละธาตุมีจำนวนโปรตอนเฉพาะแต่อาจมีรูปแบบหรือไอโซโทปที่หลากหลาย ซึ่งแต่ละธาตุมีจำนวนนิวตรอนต่างกัน องค์ประกอบสามารถสลายไปเป็นองค์ประกอบอื่นได้หากกระบวนการส่งผลให้สถานะพลังงานลดลง รังสีแกมมาเป็นการปลดปล่อยพลังงานบริสุทธิ์แบบสลายตัว

กฎของควอนตัมฟิสิกส์ทำนายว่า อะตอมที่ไม่เสถียร จะสูญเสียพลังงานจากการสลายตัว แต่ไม่สามารถคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำว่าอะตอมใดจะเข้าสู่กระบวนการนี้ ฟิสิกส์ควอนตัมส่วนใหญ่สามารถทำนายได้คือระยะเวลาเฉลี่ยที่อนุภาคจะสลายตัว การสลายตัวของนิวเคลียร์สามประเภทแรกที่ค้นพบถูกเรียกว่าการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีและประกอบด้วยการสลายตัวของอัลฟา, เบต้าและแกมมา การสลายตัวของอัลฟ่าและเบตาเปลี่ยนองค์ประกอบหนึ่งเป็นอีกองค์ประกอบหนึ่งและมักมาพร้อมกับการสลายตัวของแกมมาซึ่งปล่อยพลังงานส่วนเกินออกจากผลิตภัณฑ์ที่สลายตัว

การสลายตัวของแกมมาเป็นผลพลอยได้จากการปล่อยอนุภาคนิวเคลียร์ ในการสลายตัวของอัลฟา อะตอมที่ไม่เสถียรจะปล่อยนิวเคลียสของฮีเลียมซึ่งประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปของยูเรเนียมหนึ่งตัวมีโปรตอน 92 ตัวและนิวตรอน 146 ตัว มันสามารถผ่านการสลายตัวของอัลฟากลายเป็นธาตุทอเรียมและประกอบด้วย 90 โปรตอนและ 144 นิวตรอน การสลายตัวของเบต้าเกิดขึ้นเมื่อนิวตรอนกลายเป็นโปรตอน โดยปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนออกมาในกระบวนการ ตัวอย่างเช่น การสลายตัวของบีตาจะเปลี่ยนไอโซโทปคาร์บอนที่มีโปรตอนหกตัวและนิวตรอนแปดตัวให้กลายเป็นไนโตรเจนที่มีโปรตอนเจ็ดตัวและนิวตรอนเจ็ดตัว

การปล่อยอนุภาคมักจะทำให้อะตอมที่เกิดในสถานะตื่นเต้น อย่างไรก็ตาม ธรรมชาติชอบให้อนุภาคมีสถานะพลังงานน้อยที่สุดหรือสถานะพื้นดิน ด้วยเหตุนี้ นิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นสามารถปล่อยรังสีแกมมาที่นำพลังงานส่วนเกินออกไปในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า รังสีแกมมามีความถี่สูงกว่าแสงมาก ซึ่งหมายความว่ามีปริมาณพลังงานสูงกว่า เช่นเดียวกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกรูปแบบ รังสีแกมมาเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ตัวอย่างของการปล่อยรังสีแกมมาเกิดขึ้นเมื่อโคบอลต์ผ่านการสลายตัวของบีตาจนกลายเป็นนิกเกิล นิกเกิลที่ตื่นเต้นจะปล่อยรังสีแกมมาสองอันเพื่อตกลงสู่สถานะพลังงานที่พื้น

โดยปกติจะใช้เวลาเพียงเล็กน้อยในการกระตุ้นนิวเคลียสเพื่อปล่อยรังสีแกมมา อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นบางชนิดสามารถ "แพร่กระจายได้" ซึ่งหมายความว่าพวกมันอาจชะลอการปล่อยรังสีแกมมา ความล่าช้าอาจอยู่เพียงเสี้ยววินาที แต่อาจยืดออกไปเป็นนาที ชั่วโมง ปี หรือนานกว่านั้น ความล่าช้าเกิดขึ้นเมื่อการหมุนของนิวเคลียสห้ามการสลายตัวของแกมมา ลักษณะพิเศษอีกอย่างหนึ่งเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ดูดซับรังสีแกมมาที่ปล่อยออกมาและถูกขับออกจากวงโคจร สิ่งนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก