Nogle atomer har ustabile kerner, der spontant omdannes til mere stabile former, ofte med udsendelse af partikler og energi, der kaldes stråling. Der findes over 60 radionuklider i naturen, og hundredvis af andre kan fremstilles af mennesket i apparater som reaktorer eller acceleratorer. Jordiske radionuklider findes i jordskorpen og har været der, siden jorden blev skabt. Kosmogene radionuklider dannes, når kosmisk stråling fra rummet interagerer med jordens atmosfære og skorpe. Antropogen radioaktivitet stammer fra menneskelige aktiviteter som f.eks. kernevåbenforsøg og brug af kernevåben, reaktordrift og ulykker samt brug af partikelacceleratorer. Sundhedsvirkningerne af strålingseksponering kan inddeles i to kategorier. Deterministiske virkninger opstår kun, når en minimumsdosis eller tærskelværdi overskrides, og de bliver alvorligere, efterhånden som dosis stiger yderligere. Som eksempler kan nævnes rødme af huden (erytem) og dannelse af grå stær. Ved stokastiske virkninger (f.eks. kræft og genetiske virkninger) øges sandsynligheden snarere end alvoren af virkningen med dosis. Graden af sundhedsrisiko fra en radioaktiv forbindelse varierer med faktorer som koncentrationen og styrken af radionuklidet i materialet, de typer stråling, der udsendes, eksponeringsvejen, hvordan materialet opfører sig i menneskekroppen og materialets kemiske toksicitet. Der er udført megen forskning på mennesker og dyr for at beskrive, hvordan radioaktive materialer tilbageholdes og transporteres i menneskekroppen, og for at beskrive kinetikken for transport, tilbageholdelse og udskillelse. Der er udviklet detaljerede matematiske modeller til støtte for forudsigelse og/eller rekonstruktion af koncentrationer af radionuklider i de forskellige kropsvæv over tid, således at doser til specifikke organer kan vurderes, og sundhedsrisici kan vurderes.