Eigenschaften

Anders als α- beziehungsweise β-Teilchen sind γ-Quanten elektrisch neutral. Gammastrahlen lassen sich daher weder von elektrischen noch von magnetischen Feldern beeinflussen. Beim Durchflug zwischen den Platten eines geladenen Kondensators erfahren γ-Quanten im Gegensatz zu α- und β-Teilchen keine Ablenkung und sind dadurch von diesen leicht unterscheidbar.

Bei Gammastrahlung handelt es sich um ionisierende Strahlung mit diskretem Energiespektrum, die eine hohe Durchdringungsfähigkeit besitzt.Gammastrahlung im ursprünglichen Sinne entsteht als Folge radioaktiver Kernumwandlungen (Abgabe der Anregungsenergie des Tochternuklids) beziehungsweise bei der Paarvernichtung.

Dabei ändern sich die chemischen Eigenschaften des Elements nicht.Nach einem α- oder β-Zerfall befindet sich der neu entstandene Atomkern häufig in einem angeregten Zustand. Beim Übergang in einen weniger angeregten Zustand oder den Grundzustand wird γ-Strahlung emittiert. Das Gamma-Photon übernimmt die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen, abzüglich der Rückstoßenergie des verbleibenden Atomkerns.

Der angeregte Zustand (Isomer) kann insbesondere durch einen vorherigen α- oder β-Zerfall erzeugt worden sein. Auch andere Anregungsprozesse sind möglich, wie Neutroneneinfang oder die vorherige Absorption eines γ-Quants.

Weil das abgestrahlte γ-Quant aber nur Dipolschwingungen aufnehmen kann, schwingt der Kern insgesamt sehr dämpfungsarm.Die durchschnittliche Verzögerungs- beziehungsweise Halbwertszeit zwischen dem vorhergehenden Zerfall und der Emission des γ-Quants hängt vom Kern ab. Typische Halbwertszeiten dieses Zerfallstyps sind vergleichsweise lang, da der angeregte Kern (ähnlich einem pulsierenden Rugbyball) ein oszillierendes Quadrupolfeld aufbaut.

Gemäß der Heisenberg'schen Unschärferelation ist die mittlere Lebensdauer τ (entspricht seiner Halbwertszeit geteilt durch ln2) eines Übergangs zu seiner Energieunschärfe Γ (Linienbreite der Emission) umgekehrt proportional.

Γ = ħ / τ.

Die Energiezustände in Atomkernen sind – zumindest bei "langen" Halbwertszeiten von mehr als etwa 10^-15 Sekunden – wohldefiniert; daher sind die Wellenlängen der Gammastrahlen eines radioaktiven Isotopes charakteristisch, vergleichbar etwa dem Linienspektrum chemischer Elemente. Hochenergetische prozesse, insbesondere Kernspaltung und Kernfusion können jedoch auch kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Gammastrahlung erzeugen.

Die Linienbreite dieser γ-Strahlung liegt dabei in Größenordnungen von Übergängen, welche für Atomuhren genutzt werden. Ist zudem die Halbwertszeit des angeregten Zustands hoch, entstehen dadurch Gammastrahlen mit einem extrem scharfen Energiespektrum, die sich hervorragend für hochpräzise relative Messungen eignen (Mößbauer-Effekt). Dadurch wird der Energieanteil, der auf das Rückstoßteilchen übertragen wird, vernachlässigbar klein.Es ist möglich, dass der Rückstoßimpuls nicht nur von einem einzelnen Atomkern, sondern von dem gesamten Kristallgitter übernommen wird, in das der angeregte Kern eingebettet ist.

Ein weiterer prozess zur Erzeugung von Gammastrahlen ist die Annihilation (Zerstrahlung) zwischen Positronen und Elektronen oder anderen Teilchen und deren Antiteilchen. Die so erzeugte Gammastrahlung hat ein kontinuierliches Spektrum.Gammastrahlung entsteht (neben Röntgenstrahlung) aber auch, wenn α- oder β-Teilchen auf ein hartes Hindernis, wie einen Atomkern, treffen. Die dabei erzeugten Gammaquanten tragen zusammen mindestens die Energie, die der Ruhemasse der vernichteten Teilchen entspricht.

Gammastrahlung kann experimentell als Synchrotronstrahlung hergestellt werden. Das gleiche Prinzip ist auch für einen Teil der kosmischen Gammastrahlen (Kosmische Strahlung) verantwortlich.

Gammablitze (englisch Gamma Ray Bursts) - auch Gammastrahlen-Explosionen genannt - stellen eines der energiereichsten Phänomene im Weltall dar.