一些不稳定的原子核通过自发电磁过程释放出多余的能量。通常情况下，γ衰变会释放出γ射线，此外还有另外两种形式的电磁过程：内转换和产生内部电子对。γ衰变不改变原子核组成成分。通常在发生α衰变或β衰变时，所生成的核仍处于不稳定的较高能态（激发态），在转化到处于较低能态或基态的过程中发射γ射线。

1900年法国科学家P.U.维拉尔^[注]发现了γ射线。他用0.2毫米的铅箔阻挡含镭的氯化钡发射出的α和β射线，发现仍有射线穿过铅箔并在感光胶片上感光。1903年，E.卢瑟福^[注]称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线，是继α射线、β射线后发现的第三种原子核射线。1913年，γ射线被证实是一种电磁波。

γ衰变的始态的寿命通常在10^-9～10^-14秒，一般称为激发态或者激发能级，寿命长于10^-9秒的激发能级一般称为亚稳态或同质异能态。这些质子数相同，质量数也相同，但处于不同能态，用现代核仪器可以测量其寿命的原子核称为同质异能素。同质异能素的γ衰变特称为同质异能跃迁（IT），人们也不加区分地将γ衰变和同质异能跃迁统称为γ衰变或γ跃迁。

γ衰变的半衰期由量子力学的选择定则决定。γ衰变是原子核从高激发态到低激发态或到基态的电磁辐射跃迁，是原子核与电磁场的相互作用的结果。电磁相互作用的强度比弱相互作用大得多，因此γ衰变的半衰期一般比β衰变短得多。γ跃迁的概率与始态和终态的核自旋和宇称有关（二者用符号Iπ表示），也和跃迁能有关。当始态与终态的核自旋相差很大时，γ跃迁是“禁阻”的，跃迁概率很小。例如，^99mTc(1/2-)→⁹⁹Tc(9/2+)，T_1/2=6.0067小时；^125mTe(11/2-)→¹²⁵Te(1/2+)，T_1/2=57.40天；^180mTa(9-)→¹⁸⁰Ta(1+)，T_1/2>1.2×10¹⁵年。

γ衰变的其他两种方式中，内转换比较常见。此过程中，γ跃迁能被直接给予核外电子使后者发射而出。当γ衰变能大于两个电子的静质量能（2m_ec²=1.02兆电子伏），激发能转变为电子和正电子的静质量，多余的能量被飞出原子核的电子和正电子带走（见电子对效应）。

γ射线是一种电磁辐射，是亚原子粒子相互作用产生的特定频率的电磁波，此种电磁波波长在0.01纳米以下，穿透力很强，又携带高能量，容易造成生物体细胞内的脱氧核糖核酸（DNA）断裂进而引发造血功能缺失、癌症等疾病。它可以杀死癌细胞，因此也用于癌症的放射治疗。半衰期为6.0067小时的^99mTc发射0.1405兆电子伏的γ射线，非常适合用于单光子发射计算机断层显像。锝具有非常丰富的化学性质，可以将它标记到很多适用于特定脏器显像的药物。