Um raio gama, também chamado de radiação gama, de símbolo γ, é uma forma penetrante de radiação eletromagnética produzida em interações de alta energia, como o decaimento radioativo de núcleos atômicos, ou em fenômenos astronômicos, como as erupções solares. A radiação gama de menor energia se sobrepõe à faixa superior dos raios X, e as duas são diferenciadas pela origem. Na extremidade inferior do espectro gama, as energias dos fótons vão de 104 a 107 eV. Os raios gama de energia ultra-alta ultrapassam 1014 eV. O químico e físico francês Paul Ulrich Villard descobriu essa radiação em 1900, enquanto estudava a radiação emitida pelo rádio. Em 1903, Ernest Rutherford deu-lhe o nome de raios gama por sua elevada capacidade de penetrar na matéria. Ele já havia chamado duas formas menos penetrantes de radiação de raios alfa e raios beta, nessa ordem de poder de penetração.
Os raios gama do decaimento radioativo têm energias entre 10 quiloelétron-volts, ou keV, e 10 megaelétron-volts, ou MeV. Essa faixa corresponde aos níveis de energia habituais de núcleos com tempos de vida relativamente longos. O espectro de energia permite determinar quais radionuclídeos estão decaindo, por meio da espectroscopia gama. Raios gama com energias de 100 a 1.000 teraelétron-volts, ou TeV, foram observados em fontes astronômicas, como o microquasar Cygnus X-3.
Na Terra, as fontes naturais de raios gama resultam sobretudo do decaimento radioativo e da radiação secundária produzida quando partículas dos raios cósmicos interagem com a atmosfera. Há também fontes naturais menos frequentes, como os flashes terrestres de raios gama, nos quais elétrons acelerados em tempestades emitem radiação ao interagir com átomos da atmosfera. Entre as fontes artificiais estão a fissão, que ocorre nos reatores nucleares, e experimentos de física de altas energias, como os que envolvem o decaimento de píons neutros e a fusão nuclear.
Como as faixas de energia dos raios gama e dos raios X se sobrepõem no espectro eletromagnético, a terminologia varia entre as áreas científicas. Em certos ramos da física, a distinção depende da origem, com os raios gama produzidos pelo decaimento nuclear e os raios X gerados fora do núcleo. Na astrofísica, convencionou-se chamar de raios gama os fótons com energias acima de 100 keV, estudados pela astronomia de raios gama. A radiação abaixo de 100 keV é classificada como raios X e estudada pela astronomia de raios X.
Os raios gama são uma forma de radiação ionizante e podem prejudicar os seres vivos. Podem causar mutações no DNA, câncer e tumores. Em doses elevadas, podem provocar queimaduras e síndrome aguda da radiação. Seu poder de penetração permite que atinjam a medula óssea e os órgãos internos. Eles atravessam com facilidade muitos materiais comuns, o que exige blindagens de materiais densos, como chumbo ou concreto, para a proteção radiológica. Na Terra, a magnetosfera desvia partículas carregadas da radiação cósmica, mas não os raios gama. A atmosfera absorve grande parte desses raios antes que cheguem à superfície.
A primeira fonte de raios gama descoberta foi o processo de decaimento radioativo chamado de decaimento gama. Nele, um núcleo em estado excitado emite um raio gama quase imediatamente após sua formação. Em 1900, Paul Villard descobriu a radiação gama enquanto estudava a radiação emitida pelo rádio. Ele percebeu que ela penetrava mais na matéria do que os tipos de radiação do rádio já conhecidos, entre os quais estavam os raios beta e os raios alfa. Henri Becquerel havia descoberto a radioatividade em 1896, e Rutherford distinguiu as radiações alfa e beta em 1899. Villard, porém, não deu à nova radiação um nome que a separasse dessas outras formas.
Em 1903, Rutherford reconheceu que a radiação de Villard era de um tipo diferente e a chamou de "raios gama", por analogia com os raios alfa e beta. Os raios emitidos pelos elementos radioativos receberam os nomes das três primeiras letras do alfabeto grego em ordem crescente de poder de penetração. Os raios alfa eram os menos penetrantes, seguidos pelos beta e pelos gama. Rutherford também observou que os raios gama não eram desviados, ou ao menos não eram facilmente desviados, por um campo magnético, outra diferença em relação aos raios alfa e beta.
De início, pensou-se que os raios gama fossem partículas com massa, como os raios alfa e beta. Rutherford chegou a supor que fossem partículas beta extremamente rápidas, mas a ausência de desvio por um campo magnético apontava para a ausência de carga elétrica. Em 1914, a reflexão de raios gama em superfícies cristalinas confirmou sua natureza eletromagnética. Rutherford e seu colaborador Edward Andrade mediram os comprimentos de onda dos raios gama do rádio e verificaram que eram semelhantes aos dos raios X, porém mais curtos e, por isso, de frequência mais alta. Quando o conceito de fóton se consolidou, essa diferença passou a ser entendida como uma energia maior por fóton. O decaimento gama passou então a ser compreendido como um processo que geralmente emite um fóton gama.
Entre as fontes naturais de raios gama na Terra estão os radioisótopos encontrados na natureza, como o potássio-40, e a radiação secundária das interações de partículas dos raios cósmicos com a atmosfera. Raios e flashes terrestres de raios gama também geram emissões de alta energia a partir das elevadas diferenças de potencial elétrico das tempestades. No espaço, os raios gama são produzidos em processos que geram elétrons de energia muito alta. Esses elétrons emitem raios gama por bremsstrahlung, espalhamento Compton inverso e radiação síncrotron. Grande parte dessa radiação é absorvida pela atmosfera terrestre. Entre as fontes artificiais estão a fissão em reatores nucleares e os experimentos de física de altas energias, como os que envolvem o decaimento de píons neutros e a fusão nuclear.
Uma amostra de material emissor de raios gama usada para irradiar objetos ou produzir imagens é chamada de fonte gama. Também pode receber os nomes de fonte radioativa, fonte isotópica ou fonte de radiação, embora esses termos mais gerais também se apliquem a dispositivos emissores de partículas alfa e beta. As fontes gama costumam ser seladas para evitar a contaminação radioativa e são transportadas em recipientes com blindagem pesada.
Ver artigo principal: Isomeria nuclear.
O decaimento gama costuma ocorrer após outra forma de decaimento, como a emissão alfa ou a emissão beta. Um núcleo radioativo pode decair emitindo uma partícula α ou β. O núcleo filho geralmente fica em um estado excitado e pode passar a um estado de menor energia ao emitir um fóton gama. Esse processo é chamado de decaimento gama.
Na emissão gama, o núcleo perde energia sem alterar o número de prótons ou de nêutrons. Seu número atômico e seu número de massa permanecem iguais.
A emissão de um raio gama por um núcleo excitado costuma levar apenas 10−12 segundo. O decaimento gama também pode ocorrer após reações nucleares, como a captura de nêutrons, a fissão ou a fusão nuclear. Ele permite a desexcitação de muitos estados dos núcleos atômicos formados por outros tipos de decaimento radioativo, como o beta, desde que sejam satisfeitas as condições de spin nuclear necessárias à transição. Quando raios gama de alta energia, elétrons ou prótons bombardeiam um material, os núcleos excitados podem emitir raios gama "secundários" de energias características. Essas transições constituem uma forma de fluorescência nuclear gama e são estudadas pela espectroscopia gama, um ramo da física nuclear. A formação desses raios gama fluorescentes é uma modalidade rápida de decaimento gama.
Em certos casos, o estado nuclear excitado que resulta da emissão de uma partícula beta ou de outra forma de excitação dura mais do que o habitual. Ele é chamado de estado excitado metaestável quando leva pelo menos de 100 a 1.000 vezes mais tempo para decair do que o valor típico de 10−12 segundo. Esses núcleos excitados de duração relativamente longa são chamados de isômeros nucleares, e seus decaimentos, de transições isoméricas. Suas meias-vidas são mais fáceis de medir. Alguns isômeros nucleares podem permanecer excitados por minutos, horas, dias ou até muito mais antes de emitir um raio gama. A transição isomérica é semelhante às demais emissões gama, mas envolve um ou mais estados excitados metaestáveis intermediários. Esses estados frequentemente têm spin nuclear elevado e exigem que o decaimento gama altere o spin em muitas unidades, ao passo que uma transição de uma única unidade pode ocorrer em apenas 10−12 segundo. Uma energia de excitação pequena também pode tornar o decaimento gama mais lento.