ガンマ線は物質と衝突した際には、一般的に次の３つのパターンで減衰する。

１．光電効果

金属原子の表面に、周波数の高い波動が照射されると表面近くの電子が励起されて飛び出す現象をいう。

ガンマ線は可視光よりも周波数の高い電磁波であるため、比較的エネルギーの低いガンマ線でも光電効果による減衰は発生する。

２．コンプトン効果

ガンマ線のエネルギーが高くなると光粒子説により、ガンマ線はその振動数に比例するエネルギーをもつ粒子として振る舞うと考えてもよい。この様なとき、ガンマ線粒子は物質中の電子に衝突し、電子をはね飛ばす。このとき、エネルギー保存則と運動量保存則によってガンマ線のエネルギーは減衰する。

コンプトン効果によるガンマ線の減衰は光電効果による減衰よりも大きい。

３．電子対生成

電子は負の電荷を持つ粒子であるが、ごくまれに電子とまったく同じ正の電荷と質量を持つ陽電子が存在する場合がある。電子と陽電子が衝突した場合、ガンマ線が発生することが観察されている。これとは逆に非常にエネルギーの高いガンマ線が陽電子と電子に分離する電子対生成が発生することも確認されている。この時減衰するガンマ線のエネルギーは ΔＥ＝ｍｃ２（ｍは生成された電子の質量、ｃは光速）と非常に大きなものである。

これらの反応は、ガンマ線が原子内の電子または原子核と衝突することによって起きる反応である。ガンマ線量の減衰が大きいということは、衝突回数が多い、つまり電子や原子核の量が多いということであり、言い換えると地盤の密度が大きいということを示す。

検出器で測定されるガンマ線量をＮとすると、地盤の密度γは以下の式で表される。

Γ ＝ Ａ ＋ Ｂｌｏｇ（Ｎ）

ここでＡ，Ｂは計測系に固有の係数であり、各計測系のＡ、Ｂは事前のキャリブレーションテストによって精密に決定されている。実際の測定では、検出器との間に空間や水が存在するためにＡとＢには若干の補正を行っている。

　図５−２に密度検層に使用したゾンデの外形図と密度検層の概念図を示す。