방사성 붕괴(알파, 베타, 감마 붕괴)편집자 확인

방사성 붕괴는 불안정한 원자핵이 시간에 따라 특정한 확률로 자발적으로 붕괴하는 현상이다. 이 붕괴 속도는 통계적으로 결정되며, 어떤 핵이 언제 붕괴할지는 예측할 수 없지만, 충분히 많은 수의 핵이 모인 집단에 대해서는 붕괴율을 정확히 기술할 수 있다. 이를 수학적으로 표현한 것이 방사성 붕괴 법칙이다.

방사성 붕괴 법칙에 따르면, 특정 순간에 존재하는 불안정한 핵의 수 N의 시간에 따른 감소율은 그 순간의 핵의 수 N에 비례한다. 이는 미분 방정식 dN/dt = -λN으로 나타낸다. 여기서 λ는 붕괴 상수로, 각 핵종의 고유한 특성을 나타내며 단위 시간당 핵 하나가 붕괴할 확률을 의미한다. 이 방정식을 적분하면 핵의 수가 시간에 따라 지수함수적으로 감소함을 보여주는 식 N(t) = N₀ e^(-λt)을 얻는다. 여기서 N₀는 초기(t=0) 핵의 수이다.

붕괴 상수 λ의 역수(1/λ)는 핵의 평균 수명을 의미한다. 그러나 실제로 더 널리 사용되는 개념은 반감기이다. 반감기(T₁/₂)는 특정 방사성 핵종의 원자 수가 초기 수의 절반으로 감소하는 데 걸리는 시간을 말한다. 반감기와 붕괴 상수는 T₁/₂ = ln(2) / λ ≈ 0.693 / λ 의 관계로 연결된다. 반감기는 핵종마다 천차만별이며, 극히 짧은 것(예: 폴로늄-212의 0.3마이크로초)부터 극히 긴 것(예: 우라늄-238의 약 45억 년)까지 존재한다.

이 지수적 붕괴 법칙은 시간이 지남에 따라 방사성 물질의 양과 방사능이 지속적으로 감소함을 의미한다. 방사능(A)은 단위 시간당 발생하는 붕괴 횟수로 정의되며, A = λN = A₀ e^(-λt)의 관계를 가진다. 여기서 A₀는 초기 방사능이다. 반감기가 지날 때마다 남은 핵의 수와 방사능은 이전 값의 절반이 된다. 예를 들어, 3번의 반감기가 지나면 초기 양의 1/8(1/2 × 1/2 × 1/2)만 남게 된다.

원자핵의 안정성은 핵자(양성자와 중성자) 사이의 상호작용에 의해 결정된다. 핵을 구성하는 양성자는 서로 정전기적 척력을, 중성자와 양성자 사이에는 강한 핵력을 작용한다. 안정한 핵은 이 두 힘의 균형이 적절히 맞는 상태이다. 핵의 불안정성, 즉 방사성을 띠는 주된 동기는 이 균형이 깨진 상태에서 보다 안정한 구성으로 전이하려는 경향이다.

불안정성을 초래하는 주요 요인은 다음과 같다. 첫째, 양성자와 중성자의 수 비율이 적절하지 않은 경우이다. 가벼운 원소에서는 양성자와 중성자의 수가 거의 같은 것이 안정하지만, 무거운 원소로 갈수록 중성자의 비율이 높아져야 안정해진다. 이 비율에서 벗어난 핵은 베타 붕괴를 통해 비율을 조정하여 안정화하려 한다. 둘째, 핵의 질량이 너무 커서 강한 상호작용으로도 핵자들을 묶어두기에 부족한 경우이다. 특히 원자번호 82(납)보다 큰 무거운 핵들은 대부분 알파 붕괴를 통해 질량과 전하를 줄여 안정성을 찾는다.

이러한 불안정한 핵이 붕괴를 통해 안정한 상태로 접근하는 과정은 결합 에너지 관점에서 설명할 수 있다. 붕괴 후 생성물의 총 질량이 붕괴 전 핵의 질량보다 작으면, 그 질량 결손이 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리에 따라 에너지로 방출된다. 이 방출 에너지가 붕괴의 구동력이 되며, 양의 값(Q값)을 가질 때 붕괴는 자발적으로 일어난다. 따라서 방사성 붕괴는 불안정한 고에너지 상태의 핵이, 보다 높은 결합 에너지를 가진 안정한 저에너지 상태로 전이하는 과정이다.

알파 붕괴는 무거운 원자핵이 알파 입자를 방출하여 더 가벼운 원소로 변환되는 과정이다. 알파 입자는 헬륨-4의 원자핵과 동일하며, 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성된다. 따라서 알파 붕괴가 일어나면 모핵의 원자 번호는 2만큼, 질량수는 4만큼 감소한다.

이 붕괴는 주로 질량수가 150 이상인 무거운 핵(예: 우라늄, 라듐, 토륨)에서 관찰된다. 핵 내부의 강한 핵력과 전자기력 사이의 불균형으로 인해 핵이 불안정해지며, 양자 터널링 효과를 통해 알파 입자가 핵의 퍼텐셜 장벽을 통과하여 방출된다. 방출된 알파 입자는 상대적으로 큰 질량과 전하를 가지기 때문에 물질 내에서의 투과력은 낮다.

알파 붕괴는 핵변환을 일으키며, 그 결과 생성된 딸핵은 때때로 여기 상태에 있을 수 있다. 이 경우 딸핵은 이후 감마 선을 방출하여 바닥 상태로 떨어지게 된다. 알파 붕괴의 반감기는 핵종에 따라 극히 다양하며, 몇 마이크로초에서 수십억 년에 이르기까지 한다.

알파 입자는 상대적으로 큰 질량과 전하를 가지기 때문에 물질을 투과하는 능력, 즉 투과력이 세 가지 주요 방사선 중 가장 낮다. 일반적으로 공기 중에서 수 센티미터, 종이나 인간의 죽은 피부 각질층 정도의 얇은 물질로도 쉽게 차폐된다. 이는 알파 입자가 물질 내 원자와 강한 전기적 상호작용을 일으켜 빠르게 에너지를 잃고 정지하기 때문이다.

알파 붕괴에서 방출되는 알파 입자의 운동 에너지는 모핵종과 딸핵종의 질량 차이, 즉 Q값에 의해 결정된다. 이 에너지는 대부분 알파 입자의 운동 에너지로 나타나며, 특정 핵종에 대해서는 거의 일정한 불연속적인 값을 가진다. 예를 들어, 우라늄-238이 토륨-234로 붕괴할 때 방출되는 알파 입자의 에너지는 약 4.27 MeV[3]이다.

알파 입자의 낮은 투과력은 안전 측면에서 중요한 의미를 가진다. 외부 피폭 시 위험성이 상대적으로 낮지만, 알파 방출 핵종이 호흡이나 섭취를 통해 체내에 들어갈 경우, 국소적으로 매우 높은 선량을 집중시킬 수 있어 내부 피폭 위험이 크다. 따라서 알파 선원을 다룰 때는 특히 흡입이나 섭취를 방지하는 것이 중요하다.

베타-붕괴는 불안정한 원자핵이 베타 입자를 방출하며 다른 원소로 변환되는 과정이다. 여기서 방출되는 베타 입자는 고속의 전자이며, 이때 함께 반중성미자도 방출된다. 이 과정은 핵 내부의 중성자 하나가 양성자로 변환되는 현상에 해당한다. 결과적으로 원자 번호는 1 증가하지만, 질량수는 변하지 않는다.

붕괴 과정은 약한 상호작용에 의해 매개된다. 핵 내부의 중성자(ddu)가 양성자(duu)로 변할 때, 하나의 다운 쿼크가 업 쿼크로 변환되며 이 과정에서 W-보손이 방출된다. 이 W-보손은 거의 즉시 전자와 반중성미자로 붕괴한다. 방출되는 전자의 에너지는 연속 스펙트럼을 보이는데, 이는 에너지가 전자와 반중성미자 사이에 나뉘어 분배되기 때문이다.

대표적인 베타-붕괴 핵종으로는 탄소-14, 스트론튬-90, 트리튬이 있다. 예를 들어, 탄소-14는 질소-14로 붕괴한다. 이 반응은 다음과 같이 표현된다.

n → p⁺ + e⁻ + ν̄ₑ

베타-붕괴로 방출된 전자는 물질 내에서 투과력이 알파 입자보다 훨씬 높지만 감마선보다는 낮다. 몇 밀리미터의 알루미늄판으로 대부분 차폐할 수 있다. 이 과정에서 핵의 질량수는 유지되므로, 동위원소 중 더 높은 원자 번호를 가진 원소로의 변환이 일어난다.

베타+붕괴는 불안정한 원자핵이 양전자와 전자 중성미자를 방출하면서 양성자 하나가 중성자로 변환되는 과정이다. 이 붕괴는 일반적으로 핵 내부의 양성자 수가 중성자 수에 비해 지나치게 많을 때 발생한다. 붕괴가 일어나면 원자 번호(양성자 수)는 하나 감소하고, 질량수는 변하지 않는다. 따라서 모핵종의 동위원소 중 하나가 딸핵종으로 변환된다.

붕괴 과정은 약한 상호작용을 통해 매개된다. 핵 내부의 한 양성자가 중성자, 양전자(e⁺), 그리고 전자 중성미자(νₑ)로 변환된다. 이 반응은 다음과 같은 핵반응식으로 표현할 수 있다.

p⁺ → n⁰ + e⁺ + νₑ

따라서 원자핵 A(Z, N)의 베타+붕괴는 A(Z, N) → A(Z-1, N+1) + e⁺ + νₑ 로 나타낸다.

베타+붕괴가 자발적으로 발생하기 위해서는 모핵종의 질량이 딸핵종의 질량보다 최소 두 개의 전자 정지 질량 에너지(약 1.022 MeV) 이상 커야 한다. 이 에너지 조건은 양전자 생성에 필요한 에너지를 반영한다. 방출된 양전자는 주변 물질 속을 이동하며 운동 에너지를 잃고, 최종적으로 정지하면 주변의 전자 하나와 만나 소멸한다. 이 소멸 과정에서 두 개의 정반대 방향으로 511 keV 에너지를 가진 감마선 광자가 방출된다. 이 특징적인 511 keV 감마선은 양전자 방출 단층촬영(PET)과 같은 의료 영상 기술의 물리적 기초가 된다.

베타 붕괴의 한 형태인 전자 포획은 원자핵이 가장 안쪽 전자 껍질의 전자 하나를 포획하여 양성자 하나를 중성자로 변환하는 과정이다. 이 과정에서 원자 번호가 1 감소하지만 질량수는 변하지 않는다. 포획된 전자는 보통 K 껍질의 전자이며, 이 때문에 'K 포획'이라고도 불린다.

과정은 다음과 같다. 핵 내부의 양성자 하나가 가장 안쪽 껍질의 전자 하나와 상호작용하여 중성자로 변환한다. 이때 방출되는 중성미자 하나가 에너지와 운동량을 운반해 나간다. 수식으로는 p + e⁻ → n + νₑ 로 표현된다. 전자 포획이 일어난 후 원자는 내부 껍질에 공백(정공)이 생기며, 이 공백은 더 바깥 껍질의 전자가 떨어져 내려와 채우게 된다. 이 전이 과정에서 특성 엑스선이 방출되거나, 그 에너지가 다른 전자를 방출시키는 오제 전자 효과가 발생한다.

전자 포획은 베타+붕괴와 경쟁 관계에 있는 붕괴 방식이다. 두 과정 모두 동일한 모핵에서 동일한 자핵을 생성한다. 어떤 과정이 우세한지는 핵의 에너지 상태에 의해 결정된다. 전자 포획은 베타+붕괴에 필요한 최소 에너지(1.022 MeV[6])보다도 낮은 에너지 차이를 가진 핵에서도 일어날 수 있다는 점이 특징이다. 따라서 베타+붕괴가 불가능한 일부 핵종에서도 전자 포획은 관찰된다.

이 붕괴 방식은 다양한 분야에서 활용된다. 예를 들어, 의료 영상에서 사용되는 테크네튬-99m은 모핵인 몰리브데넘-99가 전자 포획을 통해 생성된다. 또한, 칼륨-40은 약 11%의 확률로 전자 포획을 통해 아르곤-40으로 붕괴하며, 이 현상은 암석의 연대를 측정하는 칼륨-아르곤 연대 측정법의 기초가 된다.

알파 붕괴는 무거운 원자핵이 알파 입자를 방출하면서 더 가벼운 원자핵으로 변환되는 과정이다. 방출되는 알파 입자는 헬륨-4의 원자핵, 즉 양성자 2개와 중성자 2개로 구성된 결합체이다. 따라서 모핵의 원자번호는 2만큼, 질량수는 4만큼 감소한다. 이 과정은 주로 질량수가 150 이상인 무거운 핵(예: 우라늄, 라듐, 토륨)에서 관찰된다.

알파 붕괴의 주요 특징은 방출되는 알파 입자가 이산적인(특정한) 에너지를 가진다는 점이다. 이는 양자 터널링 현상에 의해 설명된다. 핵 내부의 알파 입자는 강한 핵력에 의해 구속되어 있지만, 쿨롱 장벽을 터널링하여 일정 확률로 핵을 탈출한다. 붕괴 후 생성된 딸핵은 대부분 여기 상태에 있게 되며, 이후 감마선을 방출하여 바닥 상태로 안정화된다. 알파 붕괴는 핵의 불안정성을 줄이는 한 방식으로, 중성자에 비해 양성자가 과잉된 핵에서 주로 발생한다.

감마 붕괴는 원자핵이 높은 에너지 준위의 여기 상태에서 더 낮은 에너지 준위로 전이할 때 발생한다. 이 과정에서 핵의 구성 입자인 양성자나 중성자의 수는 변하지 않으며, 핵종 자체도 바뀌지 않는다. 핵이 여기 상태에 있는 이유는 알파 붕괴나 베타 붕괴와 같은 다른 붕괴 과정을 마친 직후이거나, 외부에서 에너지를 받았기 때문이다.

원자핵도 원자와 마찬가지로 불연속적인 에너지 준위를 가진다. 핵이 가장 낮은 에너지 상태를 바닥 상태라고 하며, 이보다 높은 에너지 상태를 여기 상태라고 부른다. 여기 상태의 핵은 불안정하여, 과잉 에너지를 감마선 형태로 방출하고 바닥 상태로 떨어지려는 경향을 보인다. 이때 방출되는 감마선의 에너지는 두 에너지 준위의 차이와 정확히 일치한다.

여기 상태의 수명은 매우 짧은 경우가 대부분이지만, 비교적 긴 수명을 가진 메타안정 상태, 즉 이성질핵이 존재하기도 한다. 대표적인 예가 의료 진단에 널리 쓰이는 테크네튬-99m이다. 'm'은 메타안정(metastable)을 의미하며, 이 핵종은 약 6시간의 반감기를 가지고 여기 상태에서 감마선을 방출하며 바닥 상태인 테크네튬-99로 붕괴한다. 감마 붕괴에서 방출되는 에너지의 크기는 일반적으로 수 keV[9]에서 수 MeV에 이르며, 이는 핵의 에너지 준위 간격이 원자의 전자 껍질 간격보다 훨씬 크기 때문이다.

우라늄-238 계열은 우라늄-238이 알파 붕괴와 베타 붕괴를 반복하여 최종적으로 안정한 납-206으로 변하는 일련의 핵변환 과정이다. 이 계열은 자연적으로 존재하는 네 가지 주요 붕괴 계열 중 하나이며, 종종 "우라늄-라듐 계열"이라고도 불린다. 계열의 모든 중간 핵종은 질량수가 4n+2의 형태를 띠기 때문에 "4n+2 계열"로 분류된다[11].

이 계열은 약 45억 년의 반감기를 가진 우라늄-238의 알파 붕괴로 시작한다. 주요 붕괴 단계를 거치는 핵종과 그 반감기는 다음과 같다.

이 과정에는 기체 상태의 라돈-222이 생성되는 단계가 포함되어 있다. 라돈은 주로 암석과 토양에서 발생하며, 지하실 등으로 유입되어 실내 공기 오염의 주요 원인이 될 수 있다. 우라늄-238 계열의 전체 평형에 도달하는 데는 수백만 년이 걸리며, 지각에 존재하는 우라늄 광물에서는 이 계열의 다양한 중간 핵종들을 발견할 수 있다. 이 계열은 지질연대측정과 방사성 동위원소를 이용한 연대 측정의 중요한 기초를 제공한다.

토륨-232 계열은 천연적으로 존재하는 네 가지 주요 방사성 붕괴 계열 중 하나이다. 이 계열의 모핵종은 토륨-232이며, 최종 안정 핵종은 납-208이다. 이 계열은 때로 "4n 계열"이라고도 불리는데, 계열에 속하는 모든 핵종의 질량수가 4의 배수(4n, n은 정수)이기 때문이다[12].

토륨-232 계열은 총 10단계의 핵변환을 거쳐 안정한 납-208로 끝난다. 이 과정에는 6번의 알파 붕괴와 4번의 베타 붕괴가 포함된다. 계열의 주요 중간 핵종으로는 라돈-220(흔히 토론이라고 함), 폴로늄-212, 비스무트-212 등이 있다. 토륨-232의 반감기는 약 140억 년으로, 우주의 나이와 비슷할 정도로 매우 길어 지구에 상당량이 남아 있다.

이 계열의 붕괴 과정에서 방출되는 알파 입자와 감마선은 산업 및 의료 분야에서 활용되기도 한다. 예를 들어, 토륨-232의 자손 핵종인 탈륨-208은 강력한 감마선을 방출하는데, 이는 비파괴 검사에 사용된다. 토륨 자체는 원자력 연료로의 잠재력 때문에 연구 대상이 되기도 한다.

토륨-232 계열은 지각에 풍부하게 존재하는 토륨의 주요 붕괴 경로를 설명하며, 지질학적 연대 측정과 지구 내부의 열 생성 원인을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.

방사성 붕괴와 그 과정에서 방출되는 방사선은 의료 분야에서 진단과 치료 목적으로 널리 활용된다. 진단 분야에서는 주로 감마선이나 엑스선과 같은 투과력이 강한 전리방사선을 이용하여 인체 내부 구조를 영상화한다. 대표적인 예로 방사성 동위원소를 환자에게 투여한 후 그 분포를 추적하여 영상을 얻는 핵의학 검사가 있다. 양전자 방출 단층촬영(PET)은 양전자를 방출하는 방사성 의약품을 사용해 암, 뇌질환 등의 대사 활동을 기능적 영상으로 보여준다. 단일광자 방출 컴퓨터 단층촬영(SPECT)도 유사한 원리로 혈류나 기관 기능을 평가한다.

치료 분야에서는 주로 알파 입자, 베타 입자, 감마선의 세포 파괴 능력을 이용하여 암 세포를 표적으로 삼는다. 방사선 치료(방사선종양학)는 외부에서 고에너지 엑스선이나 감마선을 조사하는 외부 조사 치료가 일반적이다. 또한, 방사성 물질을 종양 내부나 근처에 직접 삽입하는 근접치료(브래키테라피)도 수행된다. 이 방법은 정상 조직에 대한 피폭을 최소화하면서 종양 부위에 고선량의 방사선을 전달할 수 있다.

이러한 의료적 응용은 정밀한 선량 관리와 엄격한 안전 절차를 전제로 한다. 치료 목적의 방사선은 정상 세포에도 영향을 미칠 수 있으므로, 표적 종양에 최대한의 선량을 전달하면서 주변 건강한 조직의 피폭은 최소화하는 기술이 지속적으로 발전하고 있다.

탄소-14 연대 측정법은 방사성 붕괴의 원리를 이용하여 유기물 유물의 절대 연대를 측정하는 가장 잘 알려진 방법이다. 이 방법은 살아있는 생물체가 주변 환경과 탄소를 교환하는 과정에서 대기 중의 방사성 동위원소인 탄소-14를 일정 비율로 체내에 축적한다는 사실에 기초한다. 생물이 사망하면 외부로부터의 새로운 탄소 공급이 중단되고, 체내에 축적된 탄소-14는 베타 붕괴를 통해 질소-14로 붕괴하기 시작한다.

탄소-14의 반감기는 약 5,730년이다. 따라서 시료에 남아있는 탄소-14의 양을 측정하여 초기 양(생물 사망 당시의 양)과 비교하면, 사망 후 경과한 시간을 계산할 수 있다. 측정은 주로 가속기 질량 분석기를 사용하여 시료에 포함된 탄소-14 원자의 수를 직접 계수하는 방식으로 이루어진다. 이 방법은 소량의 시료로도 정밀한 측정이 가능하다.

이 연대 측정법의 적용 범위와 정확도는 몇 가지 전제 조건과 한계에 의존한다. 첫째, 과거 대기 중 탄소-14의 농도가 시간에 따라 일정했어야 한다는 가정이다. 실제로는 태양 활동이나 지구 자기장의 변화 등에 의해 변동이 있었으므로, 교정 곡선(예: 연륜 연대학 데이터와의 교차 검증)을 통해 이러한 변동을 보정해야 한다. 둘째, 측정 가능한 연대 범위는 탄소-14의 반감기로 인해 일반적으로 5만 년 이내로 제한된다. 그보다 오래된 시료에서는 측정 가능한 탄소-14가 거의 남아있지 않기 때문이다.

탄소-14 연대 측정법은 고고학, 지질학, 고생물학 등에서 유기물 유물과 고환경 시료의 연대를 결정하는 데 핵심적인 도구로 널리 사용된다. 특히 고고학 발굴 현장에서 출토된 목탄, 곡물, 뼈 등의 연대를 규명하여 문화층의 시간적 순서를 밝히는 데 결정적인 역할을 한다.

방사성 붕괴와 방사성 동위원소는 다양한 산업 공정과 에너지 생산에 핵심적인 역할을 한다. 산업 분야에서는 방사성 동위원소를 추적자로 활용하여 공정 효율을 모니터링하거나, 방사선의 투과력을 이용한 비파괴 검사를 수행한다. 예를 들어, 파이프라인 내부의 마모나 누출을 감지하거나, 용접 부위의 결함을 감마선 촬영으로 검사한다. 또한, 방사선 조사를 통해 고분자 재료의 성질을 개선하거나, 의료 기기 및 식품의 멸균 처리에 응용된다.

에너지 분야에서 가장 중요한 응용은 핵분열을 이용한 원자력 발전이다. 우라늄-235나 플루토늄-239와 같은 중원자핵이 중성자를 흡수하여 분열할 때 방출되는 막대한 에너지를 열에너지로 전환하고, 이를 통해 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 원자력 발전은 화석 연료에 비해 상대적으로 적은 양의 연료로 대량의 전력을 공급할 수 있으며, 발전 과정에서 이산화탄소를 직접 배출하지 않는다는 특징이 있다.

이 외에도, 방사성 동위원소 열전기 발전기는 태양광이나 화학 전지가 작동하기 어려운 극한 환경에서 장기간 안정적인 전력을 공급한다. 이 장치는 플루토늄-238과 같은 동위원소의 붕괴열을 직접 전기로 변환하여, 우주 탐사선(보이저, 카시니 호 등)이나 극지방의 원격 관측소에 전원으로 사용된다.

방사선이 생물체에 미치는 영향은 흡수된 방사선의 종류, 선량, 노출 시간, 노출 부위, 그리고 생물 종에 따라 크게 달라진다. 영향은 크게 체세포 효과와 유전적 효과로 구분된다. 체세포 효과는 방사선에 노출된 개체 자신에게 나타나는 것으로, 조기 효과와 후기 효과가 있다. 조기 효과는 단시간에 높은 선량을 받았을 때 나타나며, 급성 방사선 증후군으로 알려져 있다. 이는 구토, 탈모, 출혈, 골수 기능 저하 등을 유발하며, 선량이 매우 높으면 사망에 이르게 한다. 후기 효과는 낮은 선량에 장기간 노출되거나 조기 효과 회복 후 수년에서 수십 년 후에 나타나며, 백내장, 암 (특히 갑상선암, 폐암, 유방암 등), 그리고 수명 단축 등을 포함한다.

유전적 효과는 생식 세포의 DNA가 손상되어 다음 세대에 유전적 결함이나 질병으로 나타나는 효과이다. 이는 동물 실험을 통해 확인되었으나, 인간에 대한 직접적인 증거는 히로시마와 나가사키의 원자폭탄 투하 생존자 연구를 포함한 역학 조사에서 명확하게 확인하기 어렵다[18]. 방사선의 생물학적 작용은 주로 전리를 통해 발생한다. 방사선이 세포를 통과할 때 물 분자 등을 전리시켜 활성 산소 종을 생성하고, 이들이 직접 또는 간접적으로 DNA를 손상시킨다.

방사선에 대한 세포와 생체의 감수성은 조직과 세포의 종류에 따라 다르다. 일반적으로 분열이 활발한 세포일수록 방사선에 더 민감한 경향을 보인다. 따라서 골수, 생식샘, 위장관 상피 등은 방사선에 매우 취약한 반면, 신경 세포나 근육 세포는 상대적으로 저항성이 높다. 이 원리는 방사선 치료에서 암 세포를 선택적으로 파괴하는 데 활용된다. 생물학적 영향의 정량적 평가를 위해 흡수선량 (그레이, Gy)과, 방사선 종류와 생물학적 효과를 고려한 등가선량 (시버트, Sv) 같은 단위가 사용된다. 국제 방사선 방호 위원회(ICRP)는 일반 공중의 연간 허용 선량 한도를 1 mSv (의료 피폭 제외)로 권고하고 있다.

방사선 차폐는 방사선원으로부터 방출되는 알파 입자, 베타 입자, 감마선 또는 중성자 등의 유해한 영향을 줄이기 위해 물질을 사용하는 방법이다. 차폐의 기본 원리는 방사선이 물질과 상호작용하여 에너지를 잃거나 흡수되도록 하는 것이다. 효과적인 차폐를 위해서는 방사선의 종류와 에너지에 따라 적합한 차폐 재료와 두께를 선택해야 한다.

국제적으로 권고되는 방사선 안전 기준은 국제방사선방호위원회(ICRP)와 국제원자력기구(IAEA) 등의 기관에서 제정한다. 이 기준은 방사선 작업자와 일반 공중의 피폭 선량 한도를 규정하며, 방사선 방호의 세 가지 기본 원칙인 정당화, 최적화, 선량 한도를 근간으로 한다. 작업 환경에서는 시간, 거리, 차폐의 세 요소를 관리하여 선량을 최소화한다. 또한, 방사선 피폭을 모니터링하기 위해 필름 배지, TLD[20], 개인선량계 등의 장비를 사용한다.