En atoms kärna 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 ta olika former, eller isotoper, var och en med ett annat antal neutroner. Element kan sönderfalla i andra om processen leder till ett lägre energiläge. Gamma-strålning är ett sönderfall av ren energi.

Radioaktivt sönderfall

Kvantfysikens lagar förutsäger att en instabil atom kommer att förlora energi genom sönderfall, men kan inte prognostisera exakt när en viss atom kommer att genomgå detta bearbeta. Det mesta som kvantfysiken kan förutsäga är den genomsnittliga tid som en samling partiklar kommer att ta till förfall. De första tre typerna av nukleär sönderfall upptäcktes kallades radioaktivt sönderfall och bestod av alfa-, beta- och gammaförlust. Alfa och beta förfall överför ett element till ett annat och följs ofta av gammaförlust, vilket frigör överflödig energi från sönderfallsprodukterna.

Partikelutsläpp

Gamma sönderfall är en typisk biprodukt av kärnpartikelutsläpp . Vid alfa-sönderfall emitterar 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 alfaförfall, bli elementet thorium och bestå av 90 protoner och 144 neutroner. Betaförfall uppträder när en neutron blir en proton som emitterar en elektron och antineutrino i processen. Beta sönderfall förvandlar till exempel en kolisotop med sex protoner och åtta neutroner i kväve som innehåller sju protoner och sju neutroner.

Gamma Strålning

Partikelutsläpp lämnar ofta den resulterande atomen i ett spännande tillstånd. Naturen föredrar dock att partiklarna antar tillståndet av minst energi eller marktillstånd. För detta ändamål kan en upphetsad kärna avge en gammastråle som bär bort överskottsenergin som elektromagnetisk strålning. Gamma strålar har mycket högre frekvenser än ljusets, vilket innebär att de har högre energiinnehåll. Liksom alla former av elektromagnetisk strålning, rör sig gammastrålar med ljusets hastighet. Ett exempel på gammastråleutsläpp uppträder när kobolt genomgår beta-sönderfall för att bli nickel. Det upphetsade nickeln avger två gammastrålar för att komma ner till dess jordens energiläge.

Särskilda effekter

Det tar vanligtvis mycket lite tid för en upphetsad kärna att avge en gammastråle. Vissa glada kärnor är emellertid "metastabila", vilket innebär att de kan fördröja gammastrålning. Förseningen kan bara varas en del av en sekund men kan sträcka sig över minuter, timmar, år eller ännu längre. Fördröjningen uppstår när kärnans rotation förbjuder gammaförfall. En annan speciell effekt uppstår när en omloppselektron absorberar en utsänd gammastråle och utstötas från omloppsbana. Detta kallas den fotoelektriska effekten.