방사선(Radiation)이란 입자선(양성자, 중성자, 뮤온 등)과 전자기파(파장이 극히 짧은 전자기파 γ선, X선 등)를 총칭하여 부르는 것으로, 불안정한 원자 또는 원자핵이 안정한 상태로 변하는 과정에 방출되는 입자 또는 광자이다.법적인 용어로 방사선은 물질을 통과할 때 직접 또는 간접적으로 그 물질의 원자를 전리시키는 능력을 가지는 전리방사선을 의미한다. α선, β선, 양성자 등은 전하(charge)를 띠고 있어 물질을 통과할 때 그 물질의 원자를 직접 전리시킬 수 있다고 해서 직접 전리방사선이라 한다.

한편, 전하를 갖지 않은 중성자선과 전자기파인 γ선 및 X선은 그 자체적으로 전리능력은 없으나 물질과의 상호작용 결과 2차적으로 생성된 고속전자에 의해서 전리능력을 지니게 되므로 간접전리방사선이라 한다. 붕괴의 정도를 나타내는 단위로, 1초간에 한개의 원자핵붕괴가 일어나면 1베르겔(Becquerel, Bg) 이라고 한다. 표준단위를 사용하기 이전에는 큐리(Curie, Ci, 1Ci=3.7x10¹⁰Bg)를 사용하였다. 방사선을 방출하는 원자의 수는 시간 경과에 따라 감소하게 되는데 처음의 절반이 되는 시간을 반감기(half life)라고 한며, 방사성동위원소별로 고유한 반감기특성을 가진다.

알파(α)붕괴는 방사성 원자의 핵으로부터 2개의 중성자와 2개의 양성자를 가진 입자가 방출되어 나오는 붕괴과정이다. 이 방출된 입자는 He원자의 핵과 동일하다. 알파붕괴는 우라늄(U), 토륨(Th), 라듐(Ra)등과 같이 주로 매우 무거운 원소들에서 일어난다. 이러한 원소들의 핵은 과도한 중성자를 가지고 있으며, 알파입자를 방출하면서 새로운 원자로 변환한다. 변환된 원자는 원래의 원자보다 2개의 중성자와 2개의 양성자가 줄어든 원자가 된다. 예를 들면 ²³⁸U(Z=92)이 알파입자를 방출하면 ²³⁴Th(Z=90)가 된다.
알파입자는 2개의 양성자를 가지고 있어 양전하를 띠고 있으며, 다른 방사선들에 비해서 무겁고 에너지가 크다. 이로 인하여 알파선은 공기를 포함한 다른 물질들과 쉽게 상호작용을 일으키고 매우 짧은 거리에서도 다른 물질들을 많이 전리시키게 되어 진행이 어렵다. 알파입자는 공기중에서 수cm정도밖에 진행하지 못하며 종이 한 장 정도로도 그 진행을 막을 수 있다.

베타(β)붕괴는 방사성 원자의 핵으로부터 뉴트리노입자와 함께 전자가 방출되는 방사성 붕괴과정이다. 뉴트리노는 질량이 거의 없는 입자이고 붕괴과정에서 일부 에너지를 가지고 방출된다. β붕괴 과정에서 생긴 전자는 원자의 핵으로부터 방출된 것이기 때문에 원자의 궤도상에 있는 전자와 구별하기 위해서 β입자라고 한다. α붕괴와 같이 β붕괴는 과도한 중성자를 가진 동위원소에서 일어난다. β붕괴를 하는 원자의 핵이 β입자를 방출하면 핵내의 중성자 하나가 양성자로 변환된다.

핵내부의 양성자수가 감소하므로 새로운 딸핵종은 모핵종보다 중성자수는 1개가 줄고 양성자수는 1개가 늘어난 원자가 된다. 예를 들어 ¹³⁷Cs(Z=55)이 β붕괴를 하면 ¹³⁷Ba(Z=56)이 된다. β입자는 1단위의 음전하를 띠고, 질량은 중성자나 양성자에 비해 대단히 작다(1/1836). 그 결과 β입자는 α입자보다 물질과의 상호작용이 작게 일어난다. β입자의 에너지에 따라 다소 다르나, β입자는 공기중에서 수m까지 진행하는 경우도 있지만 얇은 금속조각이나 플라스틱 정도로 그 진행을 막을 수 있다.

α나 β붕괴반응 후 원자의 핵은 핵내부에 잉여 에너지가 존재하면 들뜬상태(excited state, 여기상태)가 된다. 핵은 전자기파 방사선(감마선)을 방출하여 잉여 에너지를 소실하고 안정상태를 유지한다. 감마선은 빛이나 마이크로파와 같은 성질을 가지고 있지만 그 에너지는 이들에 비해 훨씬 크다. 감마선은 질량이 없으며 전기도 띠지 있지 않는다. 감마선은 물질 원자의 각전자와 충돌하는 상호작용을 한다. 물질과 상호작용으로 물질내에서 자신의 에너지를 서서히 소실하며 상당히 먼거리까지 투과한다. 초기 에너지에 따라 다르지만 감마선은 공기중에서 수백m까지도 진행하고 인체를 쉽게 투과할 수 있다. 대부분의 α 및 β방출체는 그들의 붕괴과정에서 감마선방출을 수반한다. 의료분야에 사용되는 ^99mTc나 방사선계측장비의 교정선원으로 이용되는 ¹³⁷Cs과 같은 것들이 대표적인 감마방출체이다.

1895년 Roentgen이 맨처음 X선을 발견했는데, 고진공상태의 유리관속에 음전극선(cathode)과 맞은 편에 양전극구리판(anode) 표적물질을 둔 장치에 고전압을 통과하게 되면 음전극선의 전자가 양전극판 쪽으로 가속되면서 구리판 표적물질과 충돌한다. 이 때 구리판의 양전극판으로부터 투과력이 매우 강한 방사선이 발생된다. Roentgen은 이것을 미지의 방사선이라는 의미에서 X선이라고 하였다.
일반적으로 X선은 두 가지로 나뉘어지는데, 특성 X선은 여기 상태의 전자가 기저 상태 궤도로 천이하면서 방출하는 것으로 단일 에너지의 특성을 가진다. 제동복사선은 고에너지의 전자가 텅스텐이나 구리와 같은 무거운 금속 표적물질과 충돌하면서 표적물질 원자핵 근처까지 접근을 하게 되고 인력작용(전자는 음전하, 핵은 양전하)으로 편향(deflection)이 일어난다. 편향은 전자의 에너지를 감소시키는 작용을 하게 되고 이 과정에 X선이 발생한다. X선 발생장치는 병원에서 의료용으로 많이 이용된다.