Elektromagnētisko viļņu spektrā gamma starojumam ir visīsākie viļņa garumi un atbilstoši – lielākās fotonu kvantu enerģijas, kā rezultātā starojumam ir raksturīga jonizējoša iedarbība un liela caurspiešanās spēja. Galvenie gamma starojuma pielietojumi ir saistīti ar medicīnu, sterilizāciju, kvalitātes kontroli un pētniecību. Jonizējošā starojuma radītu veselības risku samazināšanai aktuālie problēmjautājumi ir saistīti ar dozimetriju un dažādu gamma starojuma avotu monitoringu.

Gamma starojums ir elektromagnētiskais starojums, kam raksturīgs viļņa garums īsāks par 0,01 nm (atbilstošā frekvence – 30 EHz; fotonu enerģija – 124 keV). Starojuma aprakstam šajā elektromagnētiskā spektra diapazonā visbiežāk izmanto enerģijas mērvienības. Klasifikācija gamma starojumā un rentgenstarojumā pēc kvantu enerģijas nav viennozīmīga: ir pieņemts, ka gamma starojuma izcelsme ir saistīta ar procesiem atoma kodolā, bet rentgenstarojuma – elektroniskajiem procesiem ārpus tā. Astrofizikā kā robežvērtība starp rentgena un gamma diapazoniem ir izvēlēta 100 keV vērtība, jo ne vienmēr ir iespējams identificēt starojuma izcelsmes mehānismu. Maksimālā enerģija gamma starojuma kvantiem nav noteikta – kodolprocesos tā var būt vairāku desmitu MeV (10⁶ eV) apgabalā, savukārt ekstrēmāko Visuma objektu starojuma enerģija var sasniegt PeV (10¹⁵ eV).

Gamma starojums ir viens no jonizējošā starojuma veidiem. Gamma starojumam ir raksturīga liela caurspiešanās spēja, kas salīdzinājumā ar alfa un beta starojumu veidiem to padara par sevišķi bīstamu. Jonizējošā starojuma iedarbības raksturošanai tiek lietoti vairāki parametri. Absorbētā doza ir enerģijas daudzums, ko noteikts radiācijas tips atdod apstarotā materiāla masas vienībai. Tās mērvienība ir grejs (Gy), kas atbilst vienam džoulam uz vienu kilogramu (J/kg). Lai raksturotu saņemtā jonizējošā starojuma potenciālo ietekmi uz cilvēka veselību atkarībā no starojuma veida un dozas, izmanto ekvivalentās dozas jēdzienu, ko mēra zīvertos (Sv). Efektīvā doza ir visu ķermeņa audu un orgānu ārējās un iekšējās apstarošanas ekvivalento dozu summa, ņemot vērā jonizējošā starojuma ietekmes faktoru uz audiem. Tā kā jonizējošā starojuma iedarbība ir atkarīga arī no laika perioda, kurā doza tiek absorbēta, tiek izmantots arī absorbētās dozas jaudas jēdziens. Darbā ar jonizējošā starojuma avotiem jāievēro preventīvi pasākumi, kuru mērķis ir samazināt apstarošanas riskus. Tie ietver aizsardzību ar attālumu (palielinot operatora attālumu līdz avotam), laiku (samazinot uzturēšanās laiku avota tuvumā) un aizsargmateriālu (piemēram, ekranējot avotu ar svinu).

Gamma starojumu 1900. gadā atklāja franču zinātnieks Pols Vilārs (Paul Ulrich Villard), pētot rādija savienojumu emitēto radioaktīvo starojumu. Lielās caurspiešanās spējas dēļ jaunzēlandiešu fiziķis Ernests Raterfords (Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson) piedāvāja jaunatklāto starojuma veidu nosaukt par gamma starojumu.

Galvenie procesi, kuros rodas gamma starojums, ir kodolu sabrukšanas reakcijas, elementārdaļiņu anihilācija un lādētu daļiņu strauja bremzēšanās. Gamma sabrukšanas reakcijas laikā kodols no ierosināta stāvokļa relaksē uz pamatstāvokli, enerģijas starpību emitējot gamma starojuma veidā. Atļauto kodola stāvokļu un to atbilstošo enerģijas vērtību sadalījums katram elementa kodolam ir unikāls – tipiski gamma starojuma avoti ir radioaktīvu elementu kodolu jeb radionuklīdu, piemēram, kobalta-60 (⁶⁰Co), cēzija-137 (¹³⁷Cs), tehnēcija-99m (^99mTc) un amerīcija-241 (²⁴¹Am), kodolsabrukšanas reakcijas. Alternatīvs gamma kvantu rašanās mehānisms ir elementārdaļiņu anihilācijas jeb daļiņu un antidaļiņu savstarpējās iznīcināšanās process. Vienkāršākais gadījums, kurā īstenojas enerģijas un kustības daudzuma nezūdamības likumi, paredz, ka procesā rodas divi pretēji vērsti fotoni. To kopējā enerģija ir vienāda ar sākotnējo daļiņu miera stāvokļa enerģiju saskaņā ar Alberta Einšteina (Albert Einstein) masas-enerģijas ekvivalences vienādojumu (E = mc², kur E – enerģija, m – masa, c – gaismas ātrums vakuumā). Piemēram, elektrona un pozitrona anihilācijas rezultātā rodas divi pretēji vērsti gamma kvanti, kuru individuālā enerģija ir 0,511 MeV. Elektromagnētiskais starojums gamma enerģiju diapazonā var tikt izstarots arī ātru lādētu daļiņu straujas bremzēšanas procesā.

Gamma starojuma ietekmi nosaka procesi, ko atbilstošās enerģijas kvanti var ierosināt vielā. Galvenie mijiedarbības mehānismi ir fotoefekts (photoelectric effect), Komptona izkliede (Compton scattering) un elektronu-pozitronu pāru veidošanās (pair production). Mijiedarbības mehānismu varbūtība ir atkarīga no starojuma enerģijas un absorbējošā elementa atomskaitļa. Fotoefekts dominē relatīvi zemās starojuma enerģijās, bet pāru veidošanās – augstās. Ļoti augstas enerģijas gamma kvantu (> 5 MeV) absorbcija vielā var izraisīt kodolreakcijas (photonuclear reactions). Tipiskos gamma starojuma detektoros tiek reģistrēts optisks vai elektrisks signāls no vielā ierosināto procesu radītiem sekundāru daļiņu – elektronu un caurumu – pāriem.

Dzīvos organismos gamma starojuma ierosinātā atomu jonizācija un ķīmiskas reakcijas var izraisīt nevēlamus bioloģiskus efektus, kas saistīti ar šūnu bojājumiem vai nāvi. Atkarībā no ķermenī absorbētās dozas izšķir determinēto un stohastisko iedarbību. Determinētā iedarbība ir tieša atbildes reakcija pēc jonizējošā starojuma ekspozīcijas, kas var izpausties kā ādas bojājumi, staru slimība vai ļoti lielas saņemtās dozas gadījumā – nāve. Zemu dozu gadījumā aplūko stohastiskos veselības riskus, piemēram, ģenētiskus defektus vai vēzi, kas ar zināmu varbūtību var iestāties ilgāka perioda laikā (gadiem, dažreiz gadu desmitiem). 

Ņemot vērā gamma starojuma potenciāli bīstamo iedarbību uz dzīviem organismiem, viens no aktuālākajiem problēmjautājumiem ir starojuma monitorings. Gamma starojuma spektroskopijas ietvaros tiek mērītas dažādu avotu emitēto kvantu enerģijas, kas ļauj identificēt radioaktīvo elementu klātbūtni. Tas ir aktuāli vides piesārņojuma monitoringā, ģeoloģiskajā kartēšanā un citos pielietojumos. Dozimetrija apvieno metožu kopu, kuras izmanto, lai novērtētu objektos absorbētās jonizējošā starojuma dozas.

Vairākos pielietojumos gamma starojums tiek izmantots, lai destruktīvi iedarbotos uz organismiem. Viena pielietojumu grupa ir saistīta ar sterilizāciju, piemēram, medicīnisko instrumentu dezinficēšanu vai pārtikas produktu apstrādi, lai likvidētu baktērijas, kas veicina to bojāšanos. Vēža ārstniecībā iedarbīga metode ir staru terapija jeb radioterapija, kuras mērķis ir iznīcināt ļaundabīgus audzējus, izmantojot selektīvu pacienta apstarošanu.

Lielās caurspiešanās spējas dēļ gamma starojums ir piemērots diagnostiskiem pielietojumiem. Medicīnā izmantotās pozitronu emisijas tomogrāfijas (positron emission tomography, PET) darbības princips ir balstīts gamma kvantu pāru detektēšanā, kas rodas, pozitroniem anihilējoties ar elektroniem. Pirms izmeklējuma veikšanas pacienta organismā tiek ievadīti izvēlēti radionuklīdi, kas kalpo par pozitronu avotu. PET izmeklējuma laikā uzņemto vizualizāciju analīze var sniegt informāciju par organisma vielmaiņas procesu novirzēm, kādas raksturīgas audzēju šūnām. Gamma starojumu izmanto arī industriālu objektu, piemēram, cauruļvadu, tvertņu, konstrukciju utt., apsekošanā un diagnostikā. Jāatceras, ka gamma kvantu enerģija ir pietiekoši liela, lai noteiktās materiālu klasēs radītu paliekošus defektus. Reizēm defekti pasliktina īpašības, bet ir gadījumi, kad materiālā parādās principiāli jaunas īpašības, – piemēram, bezkrāsaina topāza apstarošanas rezultātā dārgakmens var iegūt dažādas nokrāsas.

Astronomiskie novērojumi gamma starojuma diapazonā ir informācijas avots par visenerģētiskākajiem objektiem un notikumiem Visumā. Tā kā Zemes atmosfēra starojumam šajā spektra diapazonā ir necaurlaidīga, novērojumi ir jāveic ar kosmiskiem mērinstrumentiem. Spektroskopiskie mērījumi 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.