O núcleo de um átomo é composto de prótons e nêutrons, que por sua vez são compostos de partículas fundamentais conhecidas como quarks. Cada elemento tem um número característico de prótons, mas pode assumir uma variedade de formas, ou isótopos, cada um com um número diferente de nêutrons. Elementos podem decair em outros se o processo resultar em um estado de energia mais baixo. A radiação gama é uma emissão de decaimento da energia pura.

Decaimento radioativo

As leis da física quântica prevêem que um átomo instável perderá energia por decaimento, mas não pode prever precisamente quando um átomo em particular passará por este processo. O máximo que a física quântica pode prever é a quantidade média de tempo que uma coleção de partículas levará para decair. Os primeiros três tipos de decaimento nuclear descobertos foram apelidados de decaimento radioativo e consistem no decaimento alfa, beta e gama. Decaimento alfa e beta transmutam um elemento em outro e são freqüentemente acompanhados por decaimento gama, que libera o excesso de energia dos produtos de decaimento.

Emissão de partículas

O decaimento gama é um subproduto típico da emissão de partículas nucleares . Em decaimento alfa, um átomo instável emite um núcleo de hélio composto por dois prótons e dois nêutrons. Por exemplo, um isótopo de urânio tem 92 prótons e 146 nêutrons. Pode sofrer decaimento alfa, tornando-se o elemento tório e composto por 90 prótons e 144 nêutrons. O decaimento beta ocorre quando um nêutron se torna um próton, emitindo um elétron e antineutrino no processo. Por exemplo, o decaimento beta transforma um isótopo de carbono com seis prótons e oito nêutrons em nitrogênio contendo sete prótons e sete nêutrons.

Radiação Gama

A emissão de partículas geralmente deixa o átomo resultante em um estado excitado. A natureza, no entanto, prefere que as partículas assumam o estado de menor energia ou estado fundamental. Para este fim, um núcleo excitado pode emitir um raio gama que transporta o excesso de energia como radiação eletromagnética. Os raios gama têm freqüências muito mais altas que as da luz, o que significa que eles têm um maior conteúdo de energia. Como todas as formas de radiação eletromagnética, os raios gama se movem à velocidade da luz. Um exemplo de emissão de raios gama ocorre quando o cobalto sofre decaimento beta para se tornar níquel. O níquel excitado libera dois raios gama para baixar para seu estado fundamental de energia.

Efeitos especiais

Geralmente, leva muito pouco tempo para um núcleo excitado emitir um raio gama. No entanto, certos núcleos excitados são "metaestáveis", o que significa que podem atrasar a emissão de raios gama. O atraso pode durar apenas uma parte de um segundo, mas pode se estender por minutos, horas, anos ou até mais. O atraso ocorre quando o spin do núcleo proíbe o decaimento gama. Outro efeito especial ocorre quando um elétron orbital absorve um raio gama emitido e é ejetado da órbita. Isso é conhecido como o efeito fotoelétrico.