A radioaktivitást Henri Becquerel francia tudós fedezte fel 1896-ban. Becquerel foszforeszkáló anyagokkal kísérletezett és megsejtette, hogy a katódsugárcső fénye valamilyen módon összefügg a foszforeszcenciával. Különféle foszforeszkáló anyagokat burkolt fekete papírba egy fényképlemezzel együtt, és a fényképlemez feketedését vizsgálta. Nem észlelt feketedést, amíg uránsókkal nem próbálkozott. Miután a nem foszforeszkáló uránsókkal kísérletezett, kiderült, hogy a jelenségnek semmi köze sincs a foszforeszcenciához...

Kimutatta, hogy a sugárzás intenzitása arányos az urán koncentrácójával, így arra következtetett, hogy ez a sugárzás az uránatom tulajdonsága. Rutherford és Soddy tóriumsók aktiválásának vizsgálata közben arra a felismerésre jutott, hogy a radioaktivitás jelensége nem befolyásolható hő-, elektromos-, vagy kémiai hatással. Ebből azt a következtetést vonták le, hogy a sugárzásnak az atommagból kell érkeznie. Bár a radioaktivitás felfedezőjének Becquerelt tekintjük, ez a felfedezés adta meg a jelenség pontos értelmezését: a radioaktivitás az elemek izotópjainak azon tulajdonsága – hogy külső hatás nélkül - egy vagy több jellemzőjük az idő függvényében megváltozik, miközben rendszerint energiát sugároznak ki.

A radioaktivitásnak három (fő) típusát ismerjük, ezek az alfa-, béta- és gamma-sugárzások. Ezek, az atommagot elhagyó radioaktív sugárzások, kölcsönhatásba léphetnek az anyaggal.

Alfa-bomlás során az atommagot egy két neutronból és két protonból álló alfa-részecske (héliumatommag) hagyja el. A folyamat következtében az atommag tömegszáma néggyel, rendszáma és neutronszáma pedig kettővel csökken.

Az alfa-sugárzás részecskéi 3-8 MeV[1] energiájú héliummagok, melyek kölcsönhatásba léphetnek atomi elektronnal (ionizáció vagy gerjesztés), amelyek az energia- és irányváltoztatásukból állapíthatóak meg. Az alfa-részecske atommaggal is kölcsönhatásba léphet, magátalakítást, vagy szóródást váltva ki ezzel. Az alfa-sugárzás ionizációs képessége igen jó, mivel az egységnyi úton létrehozott ionpárok száma a sebesség csökkenésével négyzetesen nő. Ionizáció során az alfa-részecskék elektronokat löknek ki a héjból, amelyek gyakran további ionizációra elegendő energiával rendelkeznek (másodlagos ionizáció). Az ionizációs folyamat leállását az okozza, hogy az alfa-részecskék által leadott energiának csak egy része használódik ionizációra, a maradék gerjesztést okoz. A sorozatos ütközések következtében lelassult alfa-részecske végül semleges héliumatommá alakul. Azt a távolságot, amelyet az alfa-részecske megtesz egy adott anyagban, hatótávolságnak nevezzük. Ez a hatótávolság szilárd anyagokban mikrométer nagyságrendű, levegőben 3-9 cm. Az alfa részecskék - elnyelő réteg (abszorbens) hatására – jelentősen eltérhetnek az eredeti irányuktól (Rutherford-féle szórás), ami lehet teljes visszaverődés vagy kiváltott magreakció. A legnagyobb gyakorlati szerepe az olyan abszorbenseknek van, amelyeket izotópos neutronforrásként alkalmaznak. A 11-es tömegszámú bóratommagoknál nehezebb magok esetében csak nagy energiájú (20-40 MeV) alfa-részecskékkel lehetséges a magreakció. Ekkora energiájú alfa-részecskék előállításához már részecskegyorsítókra van szükség.

A béta-bomlásnak három fajtája ismert: a pozitív és negatív béta-bomlás, illetve a K-befogás. Pozitív béta-bomlás során az atommag egyik protonja neutronná alakul, miközben egy pozitron és egy neutrínó[2] keletkezik. A magból kilépő pozitron (pozitív töltésű elektron) okozza a pozitív töltésű béta-sugárzást. A pozitív béta-bomlás többnyire a neutronban gazdag instabil atommagok stabilizációjának egy lehetséges módja. A pozitív béta-bomlás exoterm (energiaveszteséges) folyamat az atommagban, ami azzal magyarázható, hogy a neutron nyugalmi energiája 1,3 MeV-tal kisebb a neutronénál, az energiakülönbség a magból kilépő pozitron és neutrínó mozgási energiáját adja.

Negatív béta-bomlás során az atommag egyik neutronja protonná alakul, miközben egy elektron és egy antineutrínó keletkezik. A magból kilépő elektron okozza a negatív béta-sugárzást. A negatív béta-bomlás többnyire a protonban gazdag instabil atommagok stabilizációjának egy lehetséges módja. A negatív béta-bomlás endoterm (energianyereséges folyamat) az atommagban, aminek az az oka, hogy a proton nyugalmi energiája 1,3 MeV-tal kisebb a neutronénál, az energiakülönbség a magból kilépő elektron és antineutrínó mozgási energiáját adja.

Mivel a pozitív és a negatív béta-bomlás során nukleonok[3] egymásba alakulása megy végbe, a jelenség nem változtatja meg a kiindulási atommag tömegét.

A béta-bomlásnak egy harmadik fajtája is ismert: ez a K-befogás. Az elnevezés magyarázata, hogy a jelenség során az atommag egy, a K-héjról származó elektront fog be. Ennek során a mag egyik protonja neutronná alakul, mialatt egy neutron és egy neutrínó szabadul fel. Emellett a jelenséget mindig karakterisztikus röntgensugárzás kíséri, aminek az a magyarázata, hogy a befogott elektron helye másik helyről betöltődik, az energiakülönbség pedig röntgensugárzás formájában távozik. A röntgensugárzást alkotó röntgenfotonok ezután az atom külső héjáról elektront lökhetnek ki Ezt Auger-elektronnak nevezzük. (Nem keverendő össze a béta-sugárzással.)

A béta-sugárzás folytonos energiaspektrummal jellemezhető. Minden spektrum rendelkezik egy maximális energiával. A béta-sugárzás átlagos energiája rendszerint a maximális energia 0,2-0,4-szerese.

Az atommagokból származó nagy sebességű (0,01-10 MeV energiájú) elektronok és pozitronok kölcsönhatásba léphetnek az atommaggal, ionizációt, atomi és molekuláris gerjesztést, fékezési sugárzást, Cherenkov-sugárzást, visszaszóródást ill. abszorpciót idézhetnek elő. A béta-részecskék kis tömegűk miatt nagyobb sebességgel mozognak, ezért kisebb az ionizációs képességük és jelentős szóródásokon mennek át. A béta-sugárzás intenzitása anyagon áthaladva csökken. A sugárzás pillanatnyi intenzitása függ a nyaláb kezdeti intenzitásától, az abszorbens réteg vastagságától (hosszúság), illetve a lineáris abszorpciós együtthatótól. Az ebből következő sugárgyengülés döntő oka a gerjesztés és az ionizáció.

A béta-részecskék fékezési röntgensugárzást is kiválthatnak. Ha a nagy sebességű béta-részecskék a mag előterébe térnek, akkor a Coulomb-erő hatására az eredeti pályájuktól eltérve gyorsulással (fékezéssel) mozognak. Ezt az energiaveszteséget a gyorsuló töltés elektromágneses sugárzás (fotonok) formájában adja le, amit fékezési röntgensugárzásnak nevezünk.

Cherenkov-sugárzás akkor jön létre, ha egy nagy energiájú elektron meghaladja egy optikai átlátszó közegben a fény sebességét. Ez az egynél nagyobb törésmutatójú közegekben lehetséges, ahol a fénysebesség kisebb, mint vákuumban. A gyors elektron polarizálja az atomokat, amelyek energiát vesznek fel a közeledő elektron teréből. Távolodásnál a polarizált állapot megszűnik, ami fotonkibocsátáshoz vezet. A Cherenkov-sugárzás megfigyelhető az atomreaktorok vízzel töltött tartályaiban, mivel a keletkezett fotonok a látható (kék) fény tartományába esnek.

Visszaszóródás során a béta-sugarak az anyagi közegben szóródnak, a detektálás során olyan részecskéket is észlelünk, amelyek eredetileg nem a detektor felé indultak. A visszaszóródás mértéke elsősorban a közeg rendszámától és rétegvastagságától függ, de befolyásolja a részecske energiája is. A visszaszóródás szöge és energiája jellemző az anyag minőségére, így a visszaszóródás tanulmányozása felhasználható analitikai célokra is.

Önabszorpció akkor megy végbe, ha a sugárzás már magában a sugárforrásban ill. preparátumban elnyelődik. Ez a jelenség csak a különösen lágy béta-sugarak esetén következhet be.

A pozitív béta-sugárzás részecskéi – anyaggal való kölcsönhatása során – alapvetően a következő folyamattal semmisülnek meg. Az első fázis az energialeadás/szóródás, a második fázis a lefékeződés, majd a folyamat végső fázisa az elektronokkal való semlegesítődés (annihilláció[4]). A megsemmisülés előtt egy véges (10^-10-10^-7 s) élettartamú ún. pozitrónium keletkezik, ami tekinthető egy zérus tömegszámú elemnek: elektromosan semleges és egy protont és elektront tartalmaz. A pozitrónium ezen rövid idő alatt nagy reakcióképességet mutat, környezetével kölcsönhatásba lép, ami lehetővé teszi a megsemmisülő pozitron kémiai környezetének tanulmányozását. Az ún. pozitrónium kémia nagy jövő előtt álló anyagszerkezet-vizsgálati módszer.

Gamma-bomlás során a gerjesztett atommag egy alacsonyabb energiájú állapotba kerül, amit gamma-sugárzás kísér. A gamma-sugárzás nagyfrekvenciájú elektromágneses hullámokból (10¹⁹ Hz illetve 10 keV felett) áll, keletkezése rendszerint az alfa- és béta-bomlást kíséri. Legfontosabb tulajdonságuk, hogy nagy ionizációs képességgel rendelkeznek, ami miatt veszélyesek az élő szervezetekre, égési sebeket, rákot és genetikai mutációt idézhetnek elő. A gamma-sugarak elleni védekezés nagy atomtömegű és sűrűségű elemekkel a leghatásosabb. Erre a célra általában az ólmot használják. Például a reaktorok aktív zónáját több méter vastag nehézbeton fallal veszik körül, ami egy magas kristályvíz tartalmú, nehézfémmel, pl. báriummal (barit) adalékolt beton. Minél nagyobb energiájú a gamma-sugárzás, annál vastagabb réteg szükséges a védekezéshez.

A gamma-sugárzás három módon lép kölcsönhatásba az anyaggal. Fotoeffektust (fényelektromos hatást) idézhet elő, ha egy atom elektronhéja gamma-fotont nyel el. E foton energiája teljesen egy elektron energiájává alakul át, amely gerjesztett állapotba kerül vagy elhagyja az atomot. A foton rugalmasan szóródhat egy szabad ill. gyengén kötött elektronon. Ezt a jelenséget Compton-szórásnak nevezzük. Ekkor a foton energiájának csak egy részét adja át az elektronnak. A gamma-fotonok előidézhetnek elektron-pozitron párkeltést, abban az esetben, ha a fotonok energiája meghaladja az elektron - pozitron pár nyugalmi tömegének megfelelő energiát. Ez azonban csak rendkívüli körülmények között lehetséges, ami az univerzum fejlődésének kezdeti szakaszára volt jellemző.