Stando in un lago, posso creare un'increspatura nell'acqua muovendo la mano. Ma quest'onda non era nell'acqua prima di me, e di certo non era nemmeno nella mia mano .

Allora da dove viene l'ondulazione? Possiamo dire che si è formato dall'interazione tra la mia mano e l'acqua. A un livello leggermente più profondo, è stato creato dall'energia nei muscoli che hanno mosso la mia mano, che proveniva dal cibo che ho mangiato in precedenza.

Lo stesso principio vale per l'emissione di raggi gamma da un nucleo atomico. Le cariche nel nucleo producono increspature nel campo elettromagnetico, ma quelle increspature non erano "dentro" il nucleo prima. L'energia usata per crearli era, però.

Questo tipo di pensiero è necessario per capire qualcosa di più dei semplici fotoni di raggi gamma. Ad esempio, nel decadimento beta, un neutrone si trasforma in un protone, un elettrone e un neutrino. Nessuno di questi tre oggetti era "dentro" il neutrone per cominciare. (Abbiamo frantumato le particelle insieme per verificarlo.) Invece, si dovrebbe pensare al neutrone come un'increspatura in un campo quantistico che produce increspature in altri campi quantistici, nello stesso modo in cui una mano fa onde nell'acqua.

"Un fotone che appare dal nulla"

La formulazione mi suggerisce che ti aspetti che alcune proprietà vengano conservate , ovvero che non cambino nel tempo. E in effetti, molte quantità fisiche sono effettivamente conservate. Una particella che appare dal nulla lo violerebbe definitivamente. Diamo un'occhiata ad alcune di quelle quantità conservate: energia, impulso, carica elettrica.

Un fotone ha sicuramente energia, ma il tuo fotone gamma è stato creato da un processo nucleare. Questa è letteralmente energia nucleare; il nucleo dell'atomo originale aveva un'energia maggiore del nucleo risultante.

Anche un fotone ha impulso. A differenza dell'energia, l'impulso è un vettore. Vedrai il rinculo del nucleo risultante dopo aver emesso un fotone gamma: riceve un cambiamento di impulso nella direzione opposta. L'impulso totale è ancora conservato; i due impulsi si sommano esattamente a zero.

Infine, la carica elettrica è la più semplice di tutte: un fotone semplicemente non ha carica elettrica, quindi questa è ancora un'altra quantità conservata.

Esistono quantità più conservate, ma alla fine la conclusione è semplice: un fotone è solo una particella con poche proprietà e tutte quelle proprietà individuali possono essere spiegate.

I fotoni vengono creati dalle cariche che cambiano lo stato orbitale o che vengono accelerate.In un atomo, questo può significare che gli elettroni effettuano una transizione tra i livelli di energia (ed è qui che hanno origine la maggior parte della luce visibile e persino i raggi X. Può anche significare che i protoni in un nucleo hanno fatto una transizione tra i livelli di energia, e quel processo produce raggi gamma.

I nuclei sono legati molto strettamente, tutte le cariche sono ravvicinate, quindi i livelli di energia sono più alti di quelli degli elettroni di un atomo.Per disturbare il nucleo di solito è necessario un evento di decadimento nucleare o collisioni di energia molto elevata (come da un acceleratore di particelle).I livelli di energia nucleare danno un prevedibile insieme di linee dello spettro, proprio come fanno i livelli di energia atomica (orbitale dell'elettrone). Quindi, dopo che si verifica un disturbo nucleare, il nucleo (o nuclei figlie) lo farà in genere si trova in uno stato diverso dallo stato fondamentale (stabile).
Lo stato eccitato decade emettendo uno o più fotoni, che sono chiamati raggi gamma.