人类接受辐射照射后出现的健康危害来源于各种射线通过电离作用引起组织细胞中原子及由原子构成的分子变化。这些变化也是原子激发的结果。电离和激发主要通过对DNA分子的作用使细胞受到损伤，导致各种健康危害。

电离辐射在射入人体组织以后，通过直接或间接电离作用，使生物体内的分子产生电离或激发。当带电粒子直接射到生物大分子时，例如脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），可以使这些大分子发生变化，这种作用称为直接作用。当带电粒子与生物体人的水分子（H2O）作用时，水分子发生变化，产生各种自由基和活化分子，例如H+、OH-、H2O2、H2O+等。这些辐射后的分解产物再与生物大分子发生作用，使生物大分子发生改变或破坏，就是所谓的间接作用。一般认为，由于生物细胞中水占80%，间接作用远远大于直接作用，但生物大分子比水分子大的多，生物大分子直接受带电粒子轰击的概率也不会太低。间接作用的结果表明，加之分子间的能量转移，又会产生更多生物分子自由基。这些自由基又可与生物分子反应，使更多的分子发生变化。上述过程是由物理阶段的能吸收发展成为分子结构变化的物理化学过程。进而发展成为分子间变化的化学过程，最后由于生物代谢变化，导致细胞乃至肌体的损伤甚至死亡。