Les éléments radioactifs ont des noyaux instables, c'est-à-dire qu'ils se transforment en éléments différents, en général en émettant des particules (quelquefois en absorbant des particules). Ce processus, appelé décroissance radioactive, consiste généralement en l'émission de particules alpha ou bêta à partir du noyau. Quelques radionucléides sont transmutés en éléments stables après une seule désintégration, mais pour d'autres, les éléments nouveaux formés à l'issue de la désintégration sont aussi instables. Pour des isotopes lourds comme l'uranium 238, toute une série de désintégrations se déroule avant qu'un élément stable final soit formé. Ce processus est connu sous le nom de chaîne de désintégration. La demi-vie d'un radionucléide désigne le temps nécessaire à la désintégration radioactive de la moitié des atomes, quel que soit l'échantillon.

Une particule alpha est le noyau d'un atome d'hélium (avec deux neutrons et deux protons). Beaucoup de radionucléides lourds, comme l'uranium 238 et le plutonium 239, se désintègrent essentiellement par émission de particules alpha.

Par exemple, la désintégration du plutonium 239 donne de l'uranium 235 avec l'émission d'une particule alpha :

⁹⁴Pu-239 -> ⁹²U-235 + ²He-4

Les particules alpha émises transportent beaucoup d'énergie, environ 5 millions d'électronvolts. Un atome d'hélium à température ambiante ne possède qu'une énergie de 0,025 électronvolt. C'est cette grande quantité d'énergie des particules qui crée, en se transmettant aux cellules vivantes, des dommages biologiques par le biais de l'ionisation.

Les particules alpha, de masse importante, transmettent leur énergie à d'autres atomes et molécules à plus faible distance que les électrons, beaucoup plus légers, qui sont les principaux vecteurs des dommages biologiques, à la fois pour les rayonnements gamma et bêta. A l'extérieur du corps, les particules alpha ne représentent pas un danger pour la santé, puisqu'elles ne franchissent pas la couche extérieure de peau morte. Toutefois, une fois qu'elles sont à l'intérieur du corps par ingestion, inhalation ou par des coupures et des écorchures, les particules alpha produisent des dégâts importants parce qu'elles ne parcourent qu'une courte distance à l'intérieur du tissu vivant en bombardant de manière répétée les cellules et le tissu environnant.

Une particule bêta est un électron ou un positron (une particule chargée positivement, par ailleurs identique à un électron). Les particules bêta sont beaucoup plus légères que les particules alpha, et effectuent un parcours beaucoup plus long. Si elles sont suffisamment énergétiques, elles peuvent traverser la peau. Certains émetteurs bêta, même à l'extérieur du corps, présentent donc un danger pour la santé, particulièrement pour le système lymphatique. La plupart des rayonnements bêta peuvent être stoppés par une barrière légère, comme un morceau de bois, bien que certains, comme ceux provenant du sodium 24, nécessitent une protection plus importante.

Une désintégration radioactive est souvent accompagnée aussi d'une émission de rayonnement gamma, qui est un rayonnement électromagnétique de très haute fréquence, du type des rayons X. Il faut des blindages lourds de plomb pour arrêter les rayons gamma. Les rayons gamma sont des photons, des "paquets" ou des quantas d'énergie électromagnétique. L'émission de photons à partir d'un noyau ne provoque pas de transmutation. Les rayons gamma produisent une ionisation (et de ce fait des dégâts biologiques). Le photon incident entre en collision avec l'électron d'un atome (ou d'une molécule) et l'éjecte en lui transmettant de l'énergie. Un photon moins énergétique (le photon "diffusé") est également émis au cours de ce processus appelé effet Compton.

Ces électrons, ceux qui sont générés par des collisions ultérieures et ceux qui sont produits par les nouveaux photons, sont responsables des dommages causés par le rayonnement gamma.

Les rayonnements alpha, bêta et gamma ont par certains aspects des propriétés très différentes, mais sont tous des rayonnements ionisants, c'est-à-dire que chacun d'eux est suffisamment énergétique pour briser des liens chimiques, et possède ainsi la capacité d'endommager ou de détruire des cellules vivantes.