电离辐射作用于机体，从照射起到细胞学上观察到可见损伤的这一段时间内，在细胞中进行着辐射损伤的原初和强化过程。这个原初作用过程包括物理(10^-16～10^-13s)、物理化学(10^-13～10^-10s)和化学(10^-10～10^-4s)三个阶段;此过程中辐射能量的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基的产生、化学键的断裂等，都是在有高度组织的生物体内进行的。能量的吸收和传递使细胞中排列有序的生物大分子处于激发和电离状态，特殊的生物结构也使电子传递和自由基链锁反应得以进行。这样导致了初始的生物化学损伤，以及由于亚细胞结构的破坏引起酶的释放，代谢的方向性和协调性的紊乱，促使初始的生物化学损伤进一步发展，引起机体内一系列的生理变化直至发生病变。

电离辐射直接作用于生物物质的初始阶段，能量传递有三种方式： 激发传递，电子传递和自由基传递。前两种传递需要特定的分子结构条件和较高的活化能，而自由基传递则不需要这样的条件，因此这是电离辐射直接作用时能量传递的主要方式。机体内含有大量水，电离辐射使之产生大量自由基，这对生物物质的损伤起着间接的作用。无论辐射对生物物质的直接作用或间接作用，关键都在于瞬间产生大量高活性的自由基。

多数自由基存在的时间都很短，利用电子自旋共振，脉冲射解快速光谱分析技术等新的观察方法，自由基的研究已日益深入。

电离辐射是一种能够在生物物质中引起激发和电离作用的辐射。例如，水在电离辐射的作用下，电离成H2O+自由基离子和自由电子e-。此类自由基离子很不稳定，很快变成中性的自由基，它们是最外层轨道上有不成对电子的非带电原子或分子。可用以下变化表示激发和电离过程及其产物。

式中RH代表生物分子; RH^*代表激发态生物分子;RH^a代表稳定变化状态的生物分子; RH表示带不成对电子的原子或分子，即自由基。

与自由基离子相比较，自由基是稳定的，但它们活性很强。无论自由基离子和其产物自由基均能破坏正常分子结构和损伤细胞靶分子。因此放射生物学的损伤不是简单的电离作用下的分子分解，所造成的后果主要来自电离产生的自由基所起的作用。

由于细胞和组织中含70～80%水，所以水的原初反应的产物会间接地引起细胞的钝化。激发和电离的水分子经迅速的分子重组合产生某些活泼的自由基。

式中e-aq为水合电子，即原初过程释放出的电子(e-)极化邻近的水分子，成为稳定的水合电子(e-aq)。水的三种主要射解产物OH·、H·和e-aq能扩散一定的距离，有效地和生物分子起反应。

上述的射解产物产生在非常小的体积内，并且是在非常短的时间内产生的，反应体积中的自由基，还能发生重合反应形成次级产物H2、H2O、H2O2。辐射与水的全部反应可以总结如下：

H₂O+辐射—→H·，OH·，e-aq，H₂，H₂O，H₂O₂，H₃O⁺，OH^- 其中OH·自由基和e-aq的产额较高，它们和生物分子反应能力也较强。例如：

(1) OH·与甘氨酸、赖氨酸等脂肪族氨基酸的反应，主要是脱氨基作用：

(2) OH·与含硫氨基酸(例如半胱氨酸)的作用主要是形成二硫键。

(3) OH·与DNA作用时，大约80%的OH·与DNA中的碱基起加成反应，从而打开嘧啶环C5、C6间的双键。

大量实验证明，自由基在电离辐射原初作用过程中起着相当重要作用。对电离辐射的原初作用的化学防护和致敏作用，实际上也涉及分子间辐射能量的转移问题。含硫化合物对蛋白质大分子的防护作用，是由于半胱氨酸和蛋白质形成混合物，其中少量半胱氨酸的存在，发生不成对电子的转移，对蛋白质大分子起了保护作用。

DNA受电离辐射照射产生胸腺嘧啶的阴离子自由基和鸟嘌呤阳离子。如果在DNA中参入亲电子辐射致敏剂，则鸟嘌呤阳离子自由基增加，同时形成致敏剂分子的阴离子自由基。

在有氧和缺氧条件下，生物大分子和生物体系内的辐射效应有明显区别，所以氧效应与电离辐射原初作用有密切关系。氧分子具有顺磁性，由于分子氧含有两个不成对的电子，很容易与自由基起反应，仅有一个氧的不成对电子在反应过程中配成对，所以氧的反应产物仍是一个自由基。在生物体系中常见到的氧加合的自由基是一种过氧化型自由基，其反应如下：

至于在有氧条件下，DNA的损伤可能是如下的过程：

DNA(OH)O₂·还可进一步反应，生成某些不稳定产物，因此O2的存在提高了辐射敏感性。

综上所述，对辐射能量转移及其产物的辐射生物效应的认识在放射生物学的研究中有着重要意义。