Кількість енергії, що передається радіацією порівняно мала — 5 джоулів на кілограм ваги є смертельною дозою. Проте, через те що енергія передається точково, на окремі електрони, хімічні наслідки опромінення є значними. Йони і вільні радикали, що утворюються після іонізації є надзвичайно хімічно активними. Під час взаємодії з ними малі молекули, руйнуються, а великі макромолекули (білки, ДНК, тощо) — зазнають структурних змін. Найбільш типовою реакцією є радіоліз води, в результаті якого утворюються радикали H• і OH•[13]. Локальне підвищення кислотності вздовж треків іонізуючих частинок руйнує ліпідні мембрани, що, в свою чергу, запускає механізми програмованої клітинної смерті[14]. Зруйновані і пошкоджені молекули продовжують брати участь у метаболічних процесах всередині клітини і після закінчення дії випромінювання, заважаючи нормальному їх протіканню, тому ефекти навіть від сильного опромінення проявляються не одразу, а впродовж кількох днів. Важливу роль у цьому відіграють ліпідні радіотоксини, що утворюються при окисненні ліпідів, і блокують процеси клітинного поділу[13].
Ефекти радіації поділяються на стохастичні і нестохастичні. Стохастичними називають такі ефекти, що можуть проявитися при будь-якій дозі отриманої радіації, але ймовірність їх зростає при збільшенні дози. До таких ефектів порушення у ДНК (одно- і дволанцюгові розриви, ушкодження азотистих основ[13]), що, в свою чергу, може призводити до появи злоякісних пухлин або формування генетичних захворювань у нащадків[15]. В середньому, 1 Грей (джоуль поглинутої енергії на кілограм маси) поглинутої радіації спричиняє 5000 ушкоджень азотистих основ, 1000 одноланцюгових і 10-100 дволанцюгових розривів ДНК на кожну клітину. Більшість цих дефектів усуваються механізмами репарації ДНК, проте ці механізми не можуть гарантувати виправлення кожного пошкодження[13].
Нестохастичні, або детерміновані ефекти виникають лише якщо отримана доза є вищою за деякий поріг. Та сама доза є більш небезпечною, якщо отримується за один раз, і менш шкідливою, якщо вона розподілена в часі. Це пов'язано з тим, що у органів є механізми як захисту від дії іонізуючого випромінювання, так і репарації отриманих ушкоджень.
На клітинному рівні в ушкоджених органах гаються наступні ефекти:
Затримка клітинного поділу — ефект гається незалежно від подальшої долі клітин. В середньому, кожен Грей поглинутої радіації затримує поділ клітин на 1 годину[13]
Репродуктивна загибель клітини (клітина не помирає, але ділитися вже не буде, або ж не можуть ділитися її нащадки). Іноді такі клітини зливаються, формуючи гігантські клітини[13].
Інтерфазна загибель — руйнування клітини до ділення (апоптоз). Для великих доз, кількість клітин, що виживають після опромінення експоненційно зменшується зі зростанням дози (для малих доз залежність складніша)[13].
На рівні усього тіла інтенсивне іонізаційне опромінення викликає променеву хворобу. Хід її протікання варіюється в залежності від отриманої дози опромінення і того, яка саме частина тіла зазнала впливу. Типовими основними симптомами є (у порядку зростання дози)[13]:
Пошкодження органів кровотворення (1-10 Гр)
Ураження органів травлення (10-50 Гр)
Пошкодження стінок судин (50-100 Гр)
Пошкодження нервової тканини (більше 100 Гр)
Варто зазначити, що поглинання більше ніж 10 Гр випромінювання на усім тілом майже завжди призводить до смерті.
Альфа-промені є більш небезпечними для здоров'я. Тому, щоб адекватно порівнювати різні види випромінювання використовують позасистемну одиницю зіверт (Зв). Зіверт еквівалентний грею для бета- і гамма-випромінювання, проте енергія поглинутого альфа-випромінювання при обчисленні враховується з множником 20. Нейтронне випромінювання має множник від 5 до 20 в залежності від енергії. Також, при нерівномірному опроміненні використовуються різні коефіцієнти для різних частин тіла, що відповідають їх радіаційній чутливості[3]. За правилом Бергоньє — Трибондо чутливішими є менш диференційовані клітини, а також ті, що швидше діляться[16].
