Le radiazioni ionizzanti sono quelle radiazioni dotate di sufficiente energia da poter ionizzare gli atomi o le molecole con i quali vengono a interagire; le energie di soglia dei processi di ionizzazione sono dell'ordine di alcuni eV. La caratteristica di una radiazione di poter ionizzare un atomo, o di penetrare più o meno in profondità all'interno della materia, dipende oltre che dalla sua energia anche dal tipo di radiazione e dal materiale con il quale avviene l'interazione.

Radiazione ionizzanti vengono generate da reazioni nucleari, artificiali o naturali, da altissime temperature come scariche di plasma, attraverso la produzione di particelle ad alta energia negli acceleratori di particelle, oppure a causa di accelerazione di particelle cariche da parte dei campi elettromagnetici prodotti da processi naturali, dai fulmini alle esplosioni di supernove.

Le radiazioni ionizzanti si possono dividere in due categorie principali: quelle che producono ioni in modo diretto (le particelle cariche α , β− e β+) e quelle che producono ioni in modo indiretto (neutroni, raggi γ e raggi X); a queste vanno aggiunte le porzioni di radiazione ultravioletta di alta frequenza. La radiazione ionizza le molecole di DNA ad esempio delle cellule cutanee, inducendo basi adiacenti di timina a formare legami covalenti, interferendo con i meccanismi di copia e in generale con il funzionamento dell'acido nucleico. Il tutto può portare delle mutazioni, che possono sfociare in episodi di cancerogeni.

Convenzionalmente si considerano ionizzanti le radiazioni con frequenza superiore a 3x1015 Hertz. Le radiazioni ionizzanti possono essere prodotte attraverso vari meccanismi. i più comuni sono: decadimento radioattivo, fissione nucleare, fusione nucleare, emissione da corpi estremamente caldi (radiazione di corpo nero) o da cariche accelerate (bremsstrahlung, o radiazione di sincrotrone).

Per poter ionizzare la materia la radiazione deve possedere un'energia tale da poter interagire con gli elettroni degli atomi cui viene a contatto. Le particelle cariche possono interagire fortemente con la materia, quindi elettroni, positroni e particelle alfa, possono ionizzare la materia direttamente. Queste particelle possono derivare dai decadimenti nucleari che vengono chiamati decadimento alfa per le particelle alfa e beta per gli elettroni e i positroni. In questi casi il potere di penetrazione di queste radiazioni è limitato, in quanto le particelle alfa (anche se molto ionizzanti) non possono superare strati di materia superiori ad un foglio di carta, mentre le particelle beta possono essere schermate da un sottile strato di alluminio. Anche i fotoni e i neutroni d'altro canto, pur non essendo carichi, se dotati di sufficiente energia possono ionizzare la materia (fotoni con frequenza pari o superiore ai raggi ultravioletti sono ritenuti ionizzanti per l'uomo). In questo caso, queste particelle sono meno ionizzanti delle precedenti, ma possono penetrare molto a fondo nella materia e per quelle più energetiche potrebbe non bastare un grosso muro di cemento armato per schermarle.

Naturalmente gli esseri viventi sono soggetti da sempre all'azione di quelle radiazioni ionizzanti naturali alle quali si dà il nome di fondo di radioattività naturale. Il fondo di radioattività naturale è dovuto sia alla radiazione terrestre, la radiazione prodotta da nuclidi primordiali o da nuclidi cosmogenici in decadimento radioattivo, sia a quella extraterrestre che la radiazione cosmica. Per la loro presenza l'uomo riceve mediamente una dose di circa 2,4 millisievert/anno, valore che però varia moltissimo da luogo a luogo. In Italia ad esempio la dose equivalente media valutata per la popolazione è di circa 3,4 mSv/a. Questo valore deve costituire il riferimento per eventuali valutazioni di rischio radioprotezionistico.

Nei casi in cui la radiazione ionizzante incida su tessuti biologici, può causare danni di tipo sanitario. Come abbiamo visto la radiazione alfa presenta un basso potere di penetrazione, quindi viene facilmente fermata dallo strato superficiale della pelle costituita da cellule morte, quindi non è pericolosa per l'uomo nei casi di irradiazione esterna. Diventa invece pericolosa nelle situazioni in cui la sorgente radioattiva viene inalata o ingerita (irradiazione interna) perché in questo caso può ledere direttamente tessuti radiosensibili (tipico caso è quello del radon in cui appunto l'isotopo radioattivo viene inspirato e quindi può decadere all'interno del corpo umano emettendo radiazione alfa). La radiazione gamma (fotoni) invece, avendo un potere di penetrazione molto elevato, può risultare pericolosa per gli esseri viventi anche in situazioni di irradiazione esterna. La quantità di radiazione assorbita da un corpo viene chiamata dose assorbita e si misura in gray. Altre grandezze importanti da considerare sono la dose equivalente e la dose efficace.

I danni che una radiazione ionizzante può provocare ai tessuti biologici sono di vario tipo e vengono suddivisi in:

- danni somatici deterministici

- danni somatici stocastici

Sebbene poco noto all'opinione pubblica, l'esposizione alle radiazioni ionizzanti (o come si dice comunemente alla radioattività) è sempre presente in natura, e molto variabile a seconda della costituzione geologica dei luoghi. L'Istituto Superiore della Sanità stima che in Italia avvengano tra i 1500 e i 9000 decessi l'anno per tumore ai polmoni dovuto all'esposizione a fonti naturali di radioattività. Le attuali normative anti-inquinamento prevedono limiti stringenti sull'esposizione individuale, che coinvolgono anche l'esposizione a materiali da costruzione comuni come il tufo (che sprigiona vapori di Radon).