Il nucleo di un atomo è composto da protoni e neutroni, che a loro volta sono composti da particelle fondamentali note come quark. Ogni elemento ha un numero caratteristico di protoni, ma può assumere una varietà di forme, o isotopi, ciascuno con un diverso numero di neutroni. Gli elementi possono decadere in altri se il processo si traduce in uno stato energetico inferiore. La radiazione gamma è un'emissione di decadimento di energia pura.

Decadimento radioattivo

Le leggi della fisica quantistica prevedono che un atomo instabile perderà energia attraverso il decadimento ma non può prevedere con precisione quando un particolare atomo subirà questo processi. Il massimo che la fisica quantistica può predire è la quantità media di tempo che una raccolta di particelle impiegherà per decadere. I primi tre tipi di decadimento nucleare scoperti sono stati soprannominati decadimento radioattivo e consistono nel decadimento alfa, beta e gamma. Il decadimento alfa e beta trasmutano un elemento in un altro e sono spesso accompagnati da decadimento della gamma, che rilascia energia in eccesso dai prodotti di decadimento.

Emissione di particelle

Il decadimento gamma è un tipico sottoprodotto dell'emissione di particelle nucleari . Nel decadimento alfa, un atomo instabile emette un nucleo di elio costituito da due protoni e due neutroni. Ad esempio, un isotopo di uranio ha 92 protoni e 146 neutroni. Può subire decadimento alfa, diventando l'elemento torio e composto da 90 protoni e 144 neutroni. Il decadimento beta si verifica quando un neutrone diventa un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino nel processo. Ad esempio, il decadimento beta trasforma un isotopo di carbonio con sei protoni e otto neutroni in azoto contenente sette protoni e sette neutroni.

Radiazione gamma

L'emissione di particelle spesso lascia l'atomo risultante in uno stato eccitato. La natura, tuttavia, preferisce che le particelle assumano lo stato di minor energia, o stato fondamentale. A tal fine, un nucleo eccitato può emettere un raggio gamma che porta via l'energia in eccesso come radiazione elettromagnetica. I raggi gamma hanno frequenze molto più alte di quelle della luce, il che significa che hanno un maggiore contenuto energetico. Come tutte le forme di radiazione elettromagnetica, i raggi gamma si muovono alla velocità della luce. Un esempio di emissione di raggi gamma si verifica quando il cobalto subisce il decadimento beta per diventare nichel. Il nichel eccitato emette due raggi gamma per scendere al suo stato di energia a terra.

Effetti speciali

Di solito, il nucleo eccitato impiega pochissimo tempo per emettere un raggio gamma. Tuttavia, alcuni nuclei eccitati sono "metastabili", nel senso che possono ritardare l'emissione di raggi gamma. Il ritardo può durare solo una porzione di secondo, ma potrebbe allungarsi per minuti, ore, anni o anche di più. Il ritardo si verifica quando la rotazione del nucleo impedisce il decadimento gamma. Un altro effetto speciale si verifica quando un elettrone orbitante assorbe un raggio gamma emesso ed è espulso dall'orbita. Questo è noto come effetto fotoelettrico.