Радиоактивные элементы обладают нестабильным ядром. Поэтому они трансформируются в другие элементы, при этом, как правило, происходит эмиссия частиц (а иногда и их поглощение). Этот процесс, называемый радиоактивным распадом, обычно приводит к излучению альфа- и бета-частиц из ядра. Некоторые радионуклиды приобретают стабильность после одного распада, однако другие распадаются на нестабильные элементы. В случае тяжелых изотопов, таких как уран-238, происходит целый ряд распадов, при которых вновь образующиеся элементы распадаются до тех пор, пока не образуется окончательный стабильный элемент. Этот процесс известен как цепной распад. В целом, нуклиды с одинаковым количеством протонов и нейтронов стабильны. Период полураспада радионуклидов означает период времени, в течение которого половина атомов элемента подвергается радиоактивному распаду.

Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия (каждый из которых состоит из двух нейтронов и двух протонов). Тяжелые элементы, например, уран-238 и плутоний-239, при распаде выделяют, в основном, альфа-частицы. Например, при распаде плутония-239:

Выделяемая альфа-частица несет большое количество энергии,порядка 5 млн. электрон-вольт. Атом гелия при комнатной температуре обладает энергией, равной 0,025 электрон-вольт. Биологические поражение радиацией происходит именно вследствии большой энергии частиц излученных в процессе распада и попадающих в клетки организма.

Альфа-частицы относятся к тяжелым и передают свою энергию другим атомам и молекулам на значительно меньшем пути, чем гораздо более легкие электроны,представляющие собой основное средство радиационного воздействия гамма- и бета-излучения. При нахождении вне организма альфа-частицы не представляют угрозу, поскольку они не в состоянии преодолеть внешний "мертвый" слой кожи. Однако при проникновении внутрь организма путем механического попадания, вдыхания или попадании через раны и порезы, альфа-частицы очень опасны, поскольку при преодолении небольших расстояний в живых тканях они постоянно бомбардируют окружающие клетки и ткани. Альфа-радиация именуется радиацией с высокой линейной передачей энергии (или high LET-радиацией, где LET - сокращение от англ. "linear energy transfer"), в отличие от относительно низкой передачи энергии на единицу длины фотонов и электронов ( low LET-радиация). Термины "high" (высокая) и "low"(низкая) означают скорость передачи энергии на единицу длины при облучении.

Бета-частица представляет собой электрон или позитрон (положительно заряженная частица, в остальном аналогичная электрону). Бета-частицы значительно легче альфа-частиц и проникают гораздо дальше. При обладании достаточной энергией, они способны проникать через кожу. Поэтому некоторые источники бета-излучения, даже находясь вне организма, представляют собой значительную опасность, особенно для лимфатической системы. Основная часть бета-радиации может быть экранирована легкой системой защиты, например, куском дерева или несколькими листами бумаги. Однако некоторые источники, в частности, натрий-24, требуют более тяжелой защиты.

Радиоактивный распад также часто сопровождается выделением гамма-радиации, являющейся очень высокочастотным электромагнитным излучением (например, рентгеновским). Защита от гамма-лучей требует тяжелого экранирования, в частности, посредством использования свинца или стали. Гамма-лучи состоят из фотонов, представляющих собой сочетание квантовой и электромагнитной энергии. Выделение фотонов не приводит к трансмутации. Однако после первого "столкновения" фотона и молекулы, при котором происходит поглощение фотона, молекула сохраняет лишь небольшую долю его энергии. Обычно основная ее часть повторно выделяется в форме бета-частиц (электрона) или другого фотона. Это называется эффектом Комптона (см.диаграмму). Эти электроны, а также электроны, образующиеся в результате дальнейших столкновений с новыми фотонами, являются основным источником опасности при гамма-радиации.

Альфа-, бета- и гамма-радиация обладают различными свойствами, но все они представляют собой ионизирующую радиацию, т.е. каждая из трех разновидностей обладает достаточной энергетикой для разрушения химических связей и, тем самым, способна повреждать или уничтожать живые клетки. Как и гамма-лучи, видимый человеческим глазом свет также является электромагнитной энергией, однако обладающей более низкой частотностью. Фотоны видимого света не располагают достаточной энергетикой для того, чтобы вызвать ионизацию. Радиоволны еще более низкочастотны, чем видимый свет.