Схема γ-переходов между уровнями ядра . Нижний уровень − основное состояние ядра. Энергии возбужденных уровней относительно основного состояния указаны справа от уровня. Слева от уровней даны их спины и четности. Стрелки − γ-переходы. Их энергии даны слева от стрелки.

    Гамма-спектроскопия − раздел физики атомного ядра, посвященный исследованию энергетических спектров гамма (γ) -излучения (зависимостей числа γ-квантов от их энергии), испускаемого атомными ядрами в распадах и реакциях. В более широком смысле гамма-спектроскопия включает в себя исследование всех характеристик γ-излучения, испускаемого не только ядрами, но и атомами и элементарными частицами. К таким характеристикам испускаемых γ-квантов, помимо их энергии, относятся времена (или вероятности) их испускания, их моменты количества движения (мультипольности), тип (электрический или магнитный), поляризация (преимущественная направленность спина γ-кванта), зависимость вероятности испускания от угла вылета γ-кванта и нек. другие.
    Гамма-спектроскопия является одним из наиболее точных методов определения характеристик микрообъектов (прежде всего атомных ядер), поскольку за испускание γ-квантов ответственно электромагнитное взаимодействие, свойства которого изучены лучше, чем свойства других фундаментальных взаимодействий (сильного, слабого, гравитационного). Поэтому интерпретация экспериментальных данных, полученных методами гамма-спектроскопия, является наиболее простой и однозначной.
    Поскольку γ-кванты, испускаемые атомными ядрами (или другими микрообъектами), возникают при переходах из состояний (уровней) с большей энергией в состояния (уровни) с меньшей энергией, то по линиям в спектрах γ-квантов можно установить схемы энергетических уровней ядер (см. рисунок). По ширинам этих линий можно установить времена жизни уровней и вероятности их распада. Знание вероятности вылета γ-квантов под различными углами позволяет найти их мультипольность и тип (электрический квант или магнитный) и, тем самым, определить спины и четности ядерных уровней, участвующих в γ-переходе. Кроме того, по характеристикам γ-переходов возможно определение электрических квадрупольных и магнитных дипольных моментов ядер, т.е. распределений зарядов и токов в ядрах в различных состояниях.
    Одними из наиболее информативных методов ядерной гамма-спектроскопии являются метод угловых корреляций γ-квантов и ядерная резонансная флуоресценция. В первом из них исследуются корреляции между углами вылета последовательно испускаемых ядром γ-квантов. Во втором ядро резонансно поглощает внешний γ-квант известной энергии и исследуется энергетический спектр вторичных γ-квантов, испущенных этим ядром.
    В исследованиях гамма-спектроскопии используются гамма-спектрометры.