Sommige atomen hebben onstabiele kernen die spontaan veranderen in stabielere vormen, vaak met de emissie van deeltjes en energie die straling worden genoemd. Meer dan 60 radionucliden worden in de natuur gevonden, en honderden meer kunnen door de mens worden gemaakt in apparaten zoals reactoren of versnellers. Terrestrische radionucliden worden aangetroffen in de aardkorst en zijn daar al sinds het ontstaan van de aarde. Kosmogene radionucliden ontstaan wanneer kosmische straling uit de ruimte in contact komt met de aardatmosfeer en de aardkorst. Antropogene radioactiviteit is afkomstig van menselijke activiteiten zoals het testen en gebruiken van kernwapens, de werking van reactoren en ongevallen, en het gebruik van deeltjesversnellers. De gezondheidseffecten van blootstelling aan straling kunnen in twee categorieën worden ingedeeld. Deterministische effecten treden alleen op wanneer een minimumdosis of drempel wordt overschreden, en worden ernstiger naarmate de dosis verder toeneemt. Voorbeelden zijn roodheid van de huid (erytheem) en de vorming van staar. Bij stochastische effecten (zoals kanker en genetische effecten) neemt de waarschijnlijkheid en niet de ernst van het effect toe met de dosis. De mate van gezondheidsrisico van een radioactieve verbinding varieert met factoren zoals de concentratie en sterkte van de radionuclide in het materiaal, de soorten straling die worden uitgezonden, de route waarlangs blootstelling plaatsvindt, hoe het materiaal zich gedraagt in het menselijk lichaam, en de chemische toxiciteit van het materiaal. Er is veel onderzoek verricht bij mensen en dieren om te beschrijven hoe radioactieve stoffen in het menselijk lichaam worden vastgehouden en getransporteerd en om de kinetiek van transport, retentie en excretie te beschrijven. Er zijn gedetailleerde wiskundige modellen ontwikkeld om de concentraties van radionucliden in de verschillende lichaamsweefsels in de tijd te voorspellen en/of te reconstrueren, zodat doses voor specifieke organen kunnen worden geraamd en gezondheidsrisico’s kunnen worden geëvalueerd.