Ядро атома складається з протонів і нейтронів, які в свою чергу складаються з основних частинок, відомих як кварки. Кожен елемент має характерну кількість протонів, але може приймати різні форми або ізотопи, кожен з різною кількістю нейтронів. Елементи можуть розпадатися на інші, якщо процес призводить до нижчого енергетичного стану. Гамма-випромінювання - це викид чистої енергії, що розпадається.
Радіоактивний розпад
Закони квантової фізики передбачають це нестійкий атом втратить енергію через розпад, але не може точно передбачити, коли певний атом зазнає цей процес. Найбільше, що може передбачити квантова фізика, це середній проміжок часу, коли збір частинок піде на розпад. Перші три типи ядерного розпаду отримали назву радіоактивного розпаду і складаються з альфа-, бета- та гамма-розпаду. Альфа- та бета-розпад трансмутують один елемент в інший і часто супроводжуються гамма-розпадом, який виділяє надлишкову енергію з продуктів розпаду.
Викид частинок
Гамма-розпад - типовий побічний продукт викиду ядерних частинок. При альфа-розпаді нестійкий атом випромінює ядро гелію, що складається з двох протонів і двох нейтронів. Наприклад, один ізотоп урану має 92 протони і 146 нейтронів. Він може зазнати альфа-розпаду, ставши елементом торію і складається з 90 протонів і 144 нейтронів. Бета-розпад відбувається, коли нейтрон стає протоном, випускаючи при цьому електрон і антинейтрино. Наприклад, бета-розпад перетворює ізотоп вуглецю з шістьма протонами та восьми нейтронами в азот, що містить сім протонів та сім нейтронів.
Гамма-випромінювання
Випромінювання часток часто залишає отриманий атом у збудженому стані. Однак природа вважає за краще, щоб частинки переходили в стан найменшої енергії або основний стан. З цією метою збуджене ядро може випромінювати гамма-проміння, яке забирає надлишок енергії як електромагнітне випромінювання. Гамма-промені мають набагато вищі частоти, ніж світлові, а це означає, що вони мають більш високий вміст енергії. Як і всі форми електромагнітного випромінювання, гамма-промені рухаються зі швидкістю світла. Приклад випромінювання гамма-променів відбувається, коли кобальт зазнає бета-розпаду і стає нікелем. Збуджений нікель видає два гамма-промені, щоб опуститися до основного стану енергії.
Спецефекти
Зазвичай для того, щоб збуджене ядро випромінювало гамма-промінь, потрібно дуже мало часу. Однак деякі збуджені ядра є «метастабільними», тобто вони можуть затримувати випромінювання гамма-променів. Затримка може тривати лише частку секунди, але може розтягнутися на хвилини, години, роки або навіть довше. Затримка відбувається, коли спін ядра забороняє гамма-розпад. Інший особливий ефект виникає, коли орбітальний електрон поглинає випромінений гамма-промінь і викидається з орбіти. Це відоме як фотоелектричний ефект.