Phóng xạ γ
Phóng xạ gamma(γ)
Bản chất hạt gamma là photon năng lượng cao, tia gamma không mang điện nên không bị lệch hướng trong điện từ trường.
Tia gamma là photon có năng lượng cao, được sinh ra do hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái có năng lượng thấp hơn.
Như vậy khi phóng xạ gamma thì không sinh ra hạt nhân mới mà chỉ thay đổi trạng thái của cùng một hạt nhân.
Phân rã gamma(γ)
Phóng xạ gamma thực chất là bức xạ ra sóng điện từ có bước sóng cực ngắn, ứng với photon có năng lượng vào bậc MeV, tương ứng với sự khác nhau của các mức năng lượng của hạt nhân. Thông thường trong quá trình phân rã (α hoặc β), hạt nhân con được sinh ra có thể tồn tại trong nhiều mức năng lượng kích thích khác nhau, do đó kèm theo quá trình phân rã α và β còn có các phóng xạ γ với các photon có năng lượng khác nhau phát ra. Chính những photon này là thông tin giúp ta tìm hiểu về các năng lượng hạt nhân, nghiên cứu phân tích phổ năng lượng tia
Cơ chế phóng xạ gamma được giải thích như sau: khi hạt nhân ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn, nó sẽ giải phóng năng lượng kích thích bằng cách phát ra tia gamma. Vì photon là hạt không có khối lượng tĩnh và cũng không mang điện nên qui tắc dịch chuyển của phóng xạ gamma(γ) là:

γ
Quá trình một hạt nhân ở trạng thái kích thích chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn bức xạ ra một photon có năng lượng cao gọi là phóng xạ gamma. Tia gamma là bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn bước sóng tia X (nhỏ hơn 10-12m).
Định luật bảo toàn năng lượng đòi hỏi:


Trong đó Ec và Eth là mức năng lượng cao và thấp của hạt nhân phóng xạ , hf là năng lượng của photon phóng xạ còn D là động năng giật lùi của hạt nhân phóng xạ. Ta hãy xác định động năng này bằng định luật bảo toàn xung lượng: photon phát xạ và hạt nhân giật lùi có xung lượng bằng nhau và ngược chiều:


Từ đó có thể tính động năng giật lùi của hạt nhân:


Khi đó định luật bảo toàn năng lượng được viết lại:


Xét cụ thể hạt nhân
ở trạng thái kích thích với thời gian sống trung bình 6,9.10-8s phát xạ tia γ có năng lượng 14,4KeV.
Nếu hạt nhân kích thích ban đầu ở trạng thái nghỉ thì ta có thể đánh giá được động năng giật lùi của hạt nhân:


Giá trị này là vô cùng nhỏ so với năng lượng mà photon phát ra, do đó ở mức chính xác chấp nhận được người ta thường bỏ qua và ta có:


Do năng lượng của các mức năng lượng hạt nhân có giá trị lớn, giữa các mức năng lượng hạt nhân cũng cách nhau xa nên năng lượng bức xạ của hạt nhân khi chuyển mức năng lượng có giá trị từ hàng chục KeV đến hàng chục MeV lớn hơn rất nhiều photon phát ra do electron trong nguyên tử chuyển mức năng lượng.
Phân rã hạt nhân cũng có chu kì bán rã như các phóng xạ khác, tuy nhiên, phần lớn các hạt nhân có chu kì bán rã gamma rất nhỏ không đo được, nó có giá trị khoảng 10-14s.
Để có nguồn phóng xạ gamma ta phải kích thích cho các hạt nhân chuyển lên trạng thái năng lượng cao. Có nhiều phương pháp kích thích như: bắn phá bằng các hạt tịch điện hay trung hòa và khối hạt nhân có khối lượng cao, cho hấp thụ photon trong các phóng xạ alpha, phóng xạ β tạo nên các hạt nhân ở trạng thái kích thích…
Nói chung hạt nhân phóng xạ γ có thời gian sống trung bình vào khoảng 10-14s. Tuy nhiên, có 1 số trường hợp có thời gian sống trung bình lớn hơn, tức là xác suất chuyển về trạng thái cơ bản của hạt nhân là khá nhỏ, gần như là bị cấm. Một ví dụ điển hình là hạt nhân Niobi có thể tồn tại ở trạng thái kích thích đến 60 ngày, những hạt nhân như thế được goi là izome (nữa bền).
Tóm lại, tính phóng xạ γ của 1 hạt nhân kích thích, được xem như dấu hiệu trực tiếp nhận biết tính không bền của 1 hạt nhân. Việc phân tích các mức năng lượng của tia γ cho phép thiết lập được các sơ đồ mức năng lượng của hạt nhân, là 1 vấn đề quan trọng trong lí thuyết hạt nhân.