Le noyau d'un atome est composé de protons et de neutrons, eux-mêmes composés de particules fondamentales appelées quarks. Chaque élément a un nombre caractéristique de protons mais peut prendre une variété de formes, ou isotopes, chacun avec un nombre différent de neutrons. Les éléments peuvent se désintégrer en d'autres si le processus aboutit à un état d'énergie inférieur. Le rayonnement gamma est une émission de désintégration de l'énergie pure.

Désintégration radioactive

Les lois de la physique quantique prédisent qu'un atome instable perdra de l'énergie par désintégration mais ne peut pas prévoir avec précision quand un atome particulier subira cette processus. Le plus que la physique quantique puisse prédire est le temps moyen qu'une collection de particules prendra pour se désintégrer. Les trois premiers types de désintégration nucléaire ont été dénommés désintégration radioactive et comprennent la désintégration alpha, bêta et gamma. La désintégration alpha et bêta transmute un élément en un autre et s'accompagne souvent d'une désintégration gamma qui libère l'énergie excédentaire des produits de désintégration.

Émissions de particules

La désintégration gamma est un sous-produit typique des émissions de particules nucléaires . En désintégration alpha, un atome instable émet un noyau d'hélium constitué de deux protons et de deux neutrons. Par exemple, un isotope de l'uranium a 92 protons et 146 neutrons. Il peut subir une désintégration alpha, devenant l'élément thorium et constitué de 90 protons et 144 neutrons. La désintégration bêta se produit lorsqu'un neutron devient un proton, émettant un électron et un antineutrino dans le processus. Par exemple, la désintégration bêta transforme un isotope de carbone avec six protons et huit neutrons en azote contenant sept protons et sept neutrons.

Rayonnement gamma

L'émission de particules laisse souvent l'atome résultant dans un état excité. La nature, cependant, préfère que les particules prennent l'état de moindre énergie, ou état fondamental. À cette fin, un noyau excité peut émettre un rayon gamma qui entraîne l'énergie excédentaire sous forme de rayonnement électromagnétique. Les rayons gamma ont des fréquences beaucoup plus élevées que celles de la lumière, ce qui signifie qu'ils ont un contenu énergétique plus élevé. Comme toutes les formes de rayonnement électromagnétique, les rayons gamma se déplacent à la vitesse de la lumière. Un exemple d'émission de rayons gamma se produit lorsque le cobalt subit une désintégration bêta pour devenir du nickel. Le nickel excité émet deux rayons gamma afin de descendre à son état d'énergie fondamental.

Effets spéciaux

Il faut généralement très peu de temps à un noyau excité pour émettre un rayon gamma. Cependant, certains noyaux excités sont "métastables", ce qui signifie qu'ils peuvent retarder l'émission des rayons gamma. Le retard peut ne durer qu'une fraction de seconde, mais peut s'étendre sur des minutes, des heures, des années ou même plus. Le retard se produit lorsque le spin du noyau interdit la désintégration gamma. Un autre effet spécial se produit lorsqu'un électron orbital absorbe un rayon gamma émis et est éjecté de l'orbite. Ceci est connu comme l'effet photoélectrique.