¿De dónde vienen los fotones de rayos gamma?

De pie en un lago, puedo hacer una onda en el agua moviendo mi mano. Pero esta ola no estaba en el agua antes de que hiciera eso, y ciertamente tampoco estaba dentro de mi mano .

Entonces, ¿de dónde vino la onda? Podemos decir que se formó por la interacción entre mi mano y el agua. En un nivel un poco más profundo, se creó a partir de la energía de los músculos que movían mi mano, que provenía de la comida que comí antes.

El mismo principio se aplica a la emisión de rayos gamma de un núcleo atómico. Las cargas en el núcleo están generando ondas en el campo electromagnético, pero esas ondas no estaban 'dentro' del núcleo de antemano. Sin embargo, la energía utilizada para crearlos sí lo era.

Este tipo de pensamiento es necesario para comprender algo más que los fotones de rayos gamma. Por ejemplo, en la desintegración beta, un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un neutrino. Para empezar, ninguno de estos tres objetos estaba "dentro" del neutrón. (Hemos hecho chocar partículas para verificar esto). En cambio, uno debería pensar en el neutrón como una onda en un campo cuántico que hace ondas en otros campos cuánticos, de la misma manera que una mano hace ondas en el agua.

"Un fotón que aparece de la nada"

La redacción me sugiere que espera que se conserven algunas propiedades , es decir, que no cambien con el tiempo. Y, de hecho, muchas cantidades físicas se conservan. Una partícula que apareciera de la nada definitivamente violaría eso. Veamos algunas de esas cantidades conservadas: energía, impulso, carga eléctrica.

Un fotón definitivamente tiene energía, pero su fotón gamma fue creado por un proceso nuclear. Esto es literalmente energía nuclear; el núcleo del átomo original tenía una energía más alta que el núcleo resultante.

Un fotón también tiene impulso. A diferencia de la energía, el impulso es un vector. Verá que el núcleo resultante retrocede después de emitir un fotón gamma: recibe un cambio de impulso en la dirección opuesta. El impulso total aún se conserva; los dos impulsos suman exactamente cero.

Finalmente, la carga eléctrica es la más simple de todas: un fotón simplemente no tiene carga eléctrica, por lo que esta es otra cantidad conservada.

Hay más cantidades conservadas, pero al final la conclusión es simple: un fotón es solo una partícula con algunas propiedades, y todas esas propiedades individuales se pueden explicar.

Los fotones son creados por cargas que cambian de estado orbital o se aceleran. En un átomo, esto puede significar electrones que hacen una transición entre niveles de energía (y ahí es donde se originan la mayoría de la luz visible, e incluso los rayos X. También puede significar que los protones en un núcleo han hecho una transición entre niveles de energía, y ese proceso produce rayos gamma.

Los núcleos están muy unidos, todas las cargas están juntas, por lo que los niveles de energía son más altos que los de los electrones de un átomo. Para perturbar el núcleo generalmente se requiere un evento de desintegración nuclear o colisiones de muy alta energía (como las producidas por un acelerador de partículas). Los niveles de energía nuclear dan un conjunto predecible de líneas de espectro, tal como lo hacen los niveles de energía atómica (orbital de electrones). Entonces, después de que ocurre una perturbación nuclear, el núcleo (o los núcleos hijos) normalmente estarán en algún estado diferente al estado fundamental (estable).
El estado excitado decae emitiendo uno o varios fotones, que se denominan rayos gamma.