Gamma starojums ir elektromagnētiskais starojums ar visīsāko viļņa garumu, tādējādi tā kvantiem piemīt vislielākā enerģija – sākot ar dažiem desmitiem kiloelektronvoltu radioaktīvajos sabrukšanas procesos, līdz pat vairākiem desmitiem teraelektronvoltu astronomiskos objektos. Gamma stari rodas atomu kodolu ierosinātu stāvokļu relaksācijas vai kodolu sabrukšanas procesu laikā, kā arī lādētu daļiņu bremzēšanās rezultātā. Spektroskopijas eksperimentu pamatā ir detektorā reģistrētā gamma starojuma raksturlielumu analīze.

Spektroskopijas nozarēs tiek pētīta vielas struktūra, izmantojot elektromagnētisko starojumu. Veicot spektroskopiskos mērījumus gamma starojuma diapazonā, ir iespējama dažādos procesos iesaistīto kodolu vai elementārdaļiņu kvantitatīva analīze. Tas ir svarīgi kodolfizikā, elementārdaļiņu fizikā, cietvielu fizikā, materiālu fizikā, radiācijas ķīmijā, vides zinātnē, ģeoloģijā un citās zinātnes nozarēs. Astronomijā gamma starojuma pētījumi sniedz ieskatu augstas enerģijas parādībās, kas notiek Visumā. Gamma starojuma avoti un sensori tiek izmantoti dažādās rūpniecības nozarēs, sterilizācijā un medicīnā. Kā jonizējošā starojuma veids tas ir bīstams dzīviem organismiem, tādēļ, ar to darbojoties, ir jāievēro atbilstošas radiācijas drošības prasības.

Iedalījums rentgenstaru spektroskopijā un gamma starojuma spektroskopijā pēc starojuma kvanta enerģijas nav viennozīmīgs. Ir pieņemts, ka gamma starojums ir saistīts ar procesiem atoma kodolā, bet rentgena starojums – ar elektronu pārejām apkārtesošajās orbitālēs. Viens no galvenajiem problēmjautājumiem ir dažādu avotu emitētā gamma starojuma spektrālā analīze. Cietvielu pētījumos plaši izmanto Mesbauera spektroskopiju, kuras pamatā ir rezonanses gamma staru emisijas un absorbcijas parādība.

Spektroskopijas nozaru teorija ir balstīta kvantu fizikā. Līdzīgā veidā kā elektroni atomā var ieņemt diskrētus stāvokļus ar noteiktu enerģiju, arī atomu kodoliem ir noteikta enerģijas līmeņu struktūra, kas atkarīga no veidojošo protonu un neitronu skaita. Katram atoma kodolam enerģijas līmeņu sadalījums ir unikāls un pārejas starp līmeņiem var notikt elektromagnētiskā starojuma kvantu – fotonu – absorbcijas vai emisijas rezultātā. Atbilstošas enerģijas (1 keV-10 MeV) fotoni, kas var iesaistīties kodolu procesos, ir gamma starojuma kvanti.

Viens no primārajiem gamma staru avotiem uz Zemes ir kodolreakcijas. Dabā sastopamas trīs veidu kodolu sabrukšanas reakcijas: alfa, beta un gamma sabrukšana. Alfa sabrukšanas laikā no kodola tiek izsviesta alfa daļiņa jeb hēlija atoma kodols, bet beta – elektrons, kodola sastāvā esošu neitronu pārvēršot par protonu. Pēc alfa un beta sabrukšanas reakcijām rezultējošais kodols var palikt ierosinātā stāvoklī. Gamma sabrukšanas laikā kodols relaksē uz stabilāku pamatstāvokli, procesā izstarojot gamma kvantu.

Gamma staru mijiedarbība ar vielu var notikt, saglabājot kvanta enerģiju jeb elastīgi (Releja izkliedes veidā) vai arī neelastīgi. Galvenie neelastīgās mijiedarbības mehānismi ir fotoefekts (photoelectric effect), Komptona izkliede (Compton scattering) un elektronu-pozitronu pāru veidošanās (pair production). Fotoefekts ir parādība, kurā elektromagnētiskā starojuma kvantu absorbcijas rezultātā no vielas atomiem tiek atrauti elektroni. Fotoelektronu kinētiskā enerģija ir atkarīga no absorbētā gamma kvanta enerģijas. Komptona izkliede ir neelastīgās izkliedes veids, kurā gamma kvants atdod daļu enerģijas brīvam vai vāji saistītam elektronam. Enerģijas pārneses lielumu atspoguļo kvanta izkliedes leņķis. Ja gamma kvanta enerģija pārsniedz divkāršotu elektrona miera masu (≈ 1,022 MeV), ir iespējams trešais mijiedarbības process – elektronu un pozitronu pāru veidošanās. Pozitrons ir elektrona antidaļiņa ar pozitīvu lādiņu, kas, pēc tam anihilējoties ar elektronu, rada divus gamma kvantus ar 0,511 MeV lielu enerģiju. Mijiedarbības mehānismu varbūtība ir atkarīga no starojuma enerģijas un absorbējošā elementa atomskaitļa. Fotoefekts dominē pie relatīvi zemām starojuma enerģijām, bet pāru veidošanās – pie augstām. Ļoti augstas enerģijas gamma kvantu (> 5 MeV) absorbcija vielā var izraisīt kodolreakcijas (photonuclear reactions).

Visās gamma spektroskopijas metodēs ir nepieciešams starojuma avots un piemērots detektors. Par starojuma avotu var kalpot radioaktīvu elementu kodolu jeb radionuklīdu (radionuclide), piemēram, kobalta-60 (⁶⁰Co), cēzija-137 (¹³⁷Cs), tehnēcija-99m (^99mTc), amerīcija-241 (²⁴¹Am) un citu, kodolsabrukšanas reakcijas. Bez kodolreakcijām gamma starojums var rasties daļiņu un antidaļiņu rekombinācijas, elementārdaļiņu sabrukšanas un lādētu daļiņu straujas bremzēšanas procesos. Gamma starojums tiek detektēts, novērojot vielā ierosinātu procesu (fotoefekta, Komptona izkliedes, pāru veidošanās) laikā radītas sekundāras daļiņas – elektronu un caurumu pārus –, kuru klātbūtni var reģistrēt kā optisku vai elektrisku signālu. Atbilstošos detektorus pēc darbības principa iedala scintilatoros un pusvadītāju detektoros. Par scintilāciju sauc optiskā diapazona fotonu emisiju jeb luminiscenci jonizējošā starojuma iedarbības rezultātā. Pēc tam fotoni, ietriecoties fotoelektrona pavairotāja (photomultiplier tube, PMT) katoda materiālā, rada fotoelektronus, kas tiek daudzkāršoti un pārvērsti elektriskā signālā. Piemēroti gamma staru scintilācijas detektoru materiāli ir nātrija jodīda (NaI), cēzija jodīda (CsI), lantāna bromīda (LaBr₃) un citu savienojumu kristāli. Pusvadītāju detektoros jonizējošā starojuma radīto elektronu-caurumu pāru skaits, kas ir proporcionāls gamma starojuma enerģijai, tiek nolasīts ar ārēju elektrisko lauku. Gamma staru detektēšanai visplašāk izmanto augstas tīrības germānija (Ge) pusvadītāju materiālus.

Metodes, kurās izmanto gamma starojumu, ir daudzveidīgas. Dabaszinātņu un rūpniecības nozarēs, kā arī vides monitoringā gamma starojuma detektorus izmanto, lai veiktu ātru un nedestruktīvu radioaktīvo izotopu analīzi pētāmajā paraugā. Astrofizikā gamma starojuma spektroskopija sniedz ieskatu tādos kosmosa objektos kā, piemēram, neitronu zvaigznēs, pulsāros, melnajos caurumos un kvazāros. Gamma staru uzliesmojumi (gamma ray burst) ir visspožākie elektromagnētiskā starojuma avoti, kas zināmi Visumā. Gamma starojums tiek izmantots gan materiālu kvalitātes kontrolē, gan pozitronu emisijas tomogrāfijā (positron emission tomography, PET) medicīniskajā diagnostikā. Gamma staru destruktīvo ietekmi izmanto objektu sterilizācijā, pārtikas produktu higiēnas uzlabošanā un kancerogēnu šūnu iznīcināšanai vēža terapijā.

Mesbauera jeb gamma rezonanses spektroskopija ir metode materiālu strukturālo, ķīmisko un magnētisko īpašību pētījumiem. Tās pamatā ir Mesbauera efekts jeb “bezatsitiena” (recoilless) rezonanses gamma staru emisijas un absorbcijas parādība. Efekta skaidrošanai kā analoģiju var izmantot pārvietošanos starp divām laivām, kas atrodas ūdenī. Tas var izrādīties problemātiski, jo laiva, no kuras atspersies, iegūs pretēji vērstu impulsu. Pretstatā, ja ūdens ir aizsalis, abas laivas ir nofiksētas ledū, kā rezultātā manevru veikt ir vienkāršāk. Līdzīgā veidā gamma kvanta lielās enerģijas dēļ atoma kodolam, kurš to izstaro, ir sagaidāms atsitiena efekts. Rezultātā Mesbauera efekts ir novērojams tikai cietvielās, kur atomi atrodas fiksētās režģa pozīcijās. Spektru mērījumiem nepieciešams, lai gan starojuma avota, gan pētāmā parauga sastāvā ir viena un tā paša izotopa atomi (visplašāk tiek pētīts dzelzs-57 (⁵⁷Fe)). Nianses absorbējošā kodola enerģijas līmeņu struktūrā atspoguļo tā tuvāko ķīmisko apkārtni. Tās var raksturot, spektra uzņemšanas laikā variējot oscilējoša avota ātrumu, kā rezultātā Doplera efekta dēļ izmainās avota gamma starojuma frekvence. Tādējādi tipiskā Mesbauera spektrā tiek attēlota gamma starojuma intensitāte uz detektora atkarībā no avota ātruma (ar lieluma kārtu mm/s). Ir iespējama arī eksperimentāla realizācija ar stacionāru avotu un oscilējošu paraugu. Momentā, kad modulētā starojuma enerģija sakrīt ar enerģijas starpību starp kvantu mehāniskiem kodola apakšlīmeņiem pētāmajā paraugā, notiek rezonanses absorbcija. Galvenās mijiedarbības, kas nosaka absorbcijas līniju skaitu un pozīcijas Mesbauera spektrā, ir izomēra nobīde (isomer shift, arī ķīmiskā nobīde – chemical shift), kvadrupolārā mijiedarbība (quadrupole interaction) un magnētiskā mijiedarbība (magnetic interaction, arī kodolu Zēmana mijiedarbība – nuclear Zeeman interaction). Mijiedarbības raksturojošie parametri ir informācijas avots par vielas struktūru atomārā mērogā.

1900. gadā franču ķīmiķis Pols Vilārs (Paul Ulrich Villard), pētot emitēto starojumu no rādija, atklāja jaunu jonizējošā starojuma veidu. 1903. gadā zinātnieks Ernests Rezenfords (Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson) to nosauca par gamma starojumu. Rezultātā radioaktīvo elementu starojuma veidi – alfa, beta un gamma – pēc to caurspiešanās spējas tika sarindoti pieaugošā secībā.

Pēc līdzības ar rentgenstariem tika sagaidīts, ka gamma starojumam, kas rodas kodola pāreju rezultātā, arī ir novērojams rezonanses fluorescences efekts. Sākotnējie mēģinājumi to detektēt eksperimentāli vielai gāzveida stāvoklī bija neveiksmīgi, jo kodola starojumam ir relatīvi lieli enerģijas zudumi kustības daudzuma saglabāšanās dēļ. “Bezatsitiena” gamma staru rezonanses absorbciju kristālos 1958. gadā atklāja vācu fiziķis Rūdolfs Mesbauers (Rudolf Ludwig Mössbauer). Efektu nosauca atklājēja vārdā, un R. Mesbauers 1961. gadā tika apbalvots ar Nobela prēmiju fizikā.

Tā kā gamma starojums Zemes atmosfērā tiek absorbēts, debess ķermeņu pētījumi šajā diapazonā bija ierobežoti līdz piemērotu kosmosa izpētes tehnoloģiju attīstībai. Pirmais gamma staru teleskops orbītā tika nogādāts 1961. gadā uz satelīta “Explorer 11”. Kosmiskie gamma staru uzliesmojumi tika atklāti 1967. gadā.

Starojums gamma diapazonā ir daudzveidīgs dabas izziņas avots, sākot ar procesu raksturošanu elementārdaļiņu un atomu kodolu līmenī līdz pat ļoti augstas enerģijas notikumiem un objektiem kosmiskā mērogā. Viens no galvenajiem ierobežojumiem ir saistīts ar spēju gamma starojumu detektēt. Tādējādi uzlaboti mērinstrumentu parametri – plašāks starojuma enerģijas detektēšanas intervāls, labāka enerģijas izšķirtspēja, augstāka efektivitāte, uzlabota radiācijas izturība un citi – var pavērt iespēju jauniem eksperimentiem, zināšanām un pielietojumiem.

Pēc “Scopus” datubāzē pieejamās informācijas, visvairāk ar gamma spektroskopiju saistītus zinātniskus rakstus ir publicējuši pētnieki no Francijas Nacionālā zinātnisko pētījumu centra (Centre National de la Recherche Scientifique), Krievijas Zinātņu akadēmijas (Россuйская акадeмия наyк) un Ķīnas Zinātņu akadēmijas (中国科学院).

Svarīgi periodiskie izdevumi ir Journal of the American Chemical Society (kopš 1879. gada) un Inorganic Chemistry (kopš 1962. gada), ko izdod Amerikas Ķīmijas biedrība (American Chemical Society), Scientific Reports (kopš 2011. gada; izdevējs Springer Nature), Nature izdevniecības žurnāli (kopš 1869. gada; izdevējs Nature Research), Physical Review sērijas žurnāli (kopš 1893. gada), ko izdod Amerikas Fizikas biedrība (American Physical Society), Astronomy and Astrophysics (kopš 1982. gada; izdevējs EDP Sciences), American Mineralogist (kopš 1968. gada; izdevējs Walter de Gruyter) un citi.