불안정한 원소의 원자핵이 스스로 붕괴하면서 내부로부터 방사선을 방출하는 현상. 이러한 성질을 가진 원자핵을 방사성 핵종(核種)이라 하고, 방사성 핵종을 함유하는 물질을 방사성 물질이라고 한다.

자연계에는 우라늄·라듐을 비롯하여 원자번호가 비교적 큰 약 40종에 이르는 원소의 원자핵이 이에 속하며, 원자핵 반응에 의해서 인공적으로 방사능을 띠게 한 것에는 원자번호 1인 수소에서 104번 원소인 쿠르차트븀(kurchatvium)에 이르는 약 1,000종의 방사성 핵종이 존재한다.

1) 방사능 발견
1896년 프랑스 물리학자 A.H.베크렐이 우라늄염 옆에 둔 검은 종이에 싼 사진건판이 우라늄염의 형태로 감광되어 있는 사실을 발견한 것이 방사능 발견의 발단이다. 베크렐은 이것이 우라늄에서 나오는 미지의 방사선(우라늄선) 때문이라고 생각하였다.

그 후 A.슈미트와 M.퀴리는 독립적으로 토륨도 방사능을 보이는 것을 확인하였다. 98년 퀴리 부부는 분별결정법에 의한 방사화학 분석으로 강한 방사능을 방출하는 새 원소 라듐과 폴로늄의 발견 및 분리에 성공하였다. 방사능이라는 말도 M.퀴리가 명명한 것이다.

방사능이 불안정한 원소의 붕괴과정을 통해서 나타난다는 것은 1900년 비교적 붕괴속도가 빠른 라돈이나 우라늄 X가 발견됨으로써 밝혀졌으며, 1902년 E.러더퍼드와 F.소디에 의해서 방사성원소가 각각 고유의 수명을 가지며, α선 또는 β선을 방출하고 연쇄적으로 다른 방사성원소로 변하다가 마지막으로 방사성이 없는 납에 이르러 붕괴계열이 끝난다는 것이 확인되었다.

방사능 연구가 원자핵 이론과 관련을 가지고 진행된 것은 이 때부터이며, 방사성 붕괴가 바로 원자핵의 붕괴라는 것, 어떤 방사성원소 속에 방사능의 수명(壽命)만이 다른 동위원소가 존재하는 것 등이 밝혀져서, 34년 I.졸리오퀴리 부부에 의해서 처음 인공적으로 방사능을 부여한 동위원소를 얻게 되었다.

졸리오퀴리 부부는 폴로늄에서 나오는 α선을 알루미늄에 조사한 후 폴로늄을 멀리 치운 후에도 수분 동안 알루미늄이 방사능을 보이는 것을 인정하고, 이 방사능이 알루미늄의 원자핵과 α입자와 핵반응 27Al(α,n)30P가 보이는 β+(양전자 방출)방사능임을 확인하였다.

E.페르미는 물 속을 통하게 하여 감속시킨 느린 중성자가 물질의 방사화, 즉 인공 방사성원소의 생성에 아주 유효하다는 것을 발견하였으며, 약 50종류의 인공 방사성동위원소를 만들어냈다. 방사성원소를 구별하는 엄밀한 뜻에서 방사성 핵종이라는 말을 쓰는 것은 이 때문이며, 특히 인공 방사성원소를 방사선원으로서 이용하는 길이 다각적으로 개발되어, 그 후는 이 용어가 일반화되었다.

1942년 페르미의 지도하에 원자로(原子爐)가 처음으로 만들어져서, 느린 중성자(열중성자)를 대량으로 얻을 수 있게 된 후로 코발트 60 60Co, 요오드 131 131I 등 수백 종류의 인공방사성 동위원소의 대량생산이 가능하게 되었다. 이들 방사성동위원소는 라듐에 비해서 훨씬 싼 값으로 판매되어, 의료·산업·연구에 널리 이용되고 있다. 그리고 입자 가속장치도 다른 종류의 방사성동위원소를 생산하는 데 도움이 된다.

우라늄의 핵분열로 생기는 분열 생성물에도 수백 종류의 방사성동위원소가 함유되어 있어 강한 방사능을 보인다. 원자탄·수소폭탄의 폭발(핵폭발) 또는 원자로 운전에서는 이 분열 생성물인 죽음의 재가 대량으로 만들어진다.

2) 방사능과 원자핵
방사능은 X선의 발생과 달리 자발적으로 원자핵에서 방사선이 나오는 현상이며, 원자핵 구조와 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 질량수가 큰 무거운 원자핵에서는 양성자 상호간의 반발력으로부터 핵을 지키기 위한 핵력만을 지닌 중성자가 여분으로 존재하여 그 안정을 유지하고 있으나, 어느 정도 이상의 무거운 핵이 되면 내재적으로 불안정하게 되어 그 중에서 특별히 안정된 2개의 중성자, 2개의 양성자 결합체가 핵 밖으로 입자선으로서 튀어 나온다. 이것이 α붕괴이다.

또한 중성자의 핵 안에서 존재율이 지나치게 높은 핵에서는 중성자가 양성자와 전자 및 중성미자(中性微子:neutrino)로 파괴되어 전자와 중성미자가 핵 밖으로 방출된다. 이것이 β붕괴이다.

이에 대하여 α선의 방출은 α선·β선을 방출하고 붕괴한 원자핵이 그 직후의 들뜬상태[勵起狀態]로부터 안정된 에너지 준위로 돌아오는 과정에서 방출된 전자기파이며, 핵의 변환과는 직접적으로 관계가 없다.

핵붕괴 기구(機構)의 해명은 고전역학의 관점에서는 불가능하며, 이로정연(理路整然)한 이론을 구하려면 양자역학을 적용해야만 한다. 이러한 입장에서 α붕괴 이론의 해명은 1928년 G.가모에 의해서 이루어졌는데, α입자가 원자핵 둘레의 높은 에너지 장벽을 빠져나올 가능성을 양자역학적인 터널효과에서 찾는 α붕괴 이론이 확립되었다.

β붕괴에 대해서는 장(場)의 양자론(量子論)의 입장에서, 중성자가 소멸하고 동시에 양성자·전자·반중성미자(反中性微子)가 생성된 과정을 해명한 이론이 페르미에 의해서 완성되었으며, 이 이론을 핵력과 더불어 통일적으로 해명한 중간자론이 유카와[湯川秀樹]에 의해서 제출되었다.

방사능이라는 현상은 이론적 해명을 통해서 원자핵의 구조 및 그것을 지배하는 법칙의 확립을 촉진시켰을 뿐만 아니라, 소립자의 상호변환이라는 문제를 제기함으로써 소립자 자체의 본질과 소립자 현상을 통일적으로 해명하는 새로운 이론을 구하려는 중요한 과제를 요청하는 것이라고 할 수 있다.

3) 수명
방사성원소 중에는 붕괴가 빠른 것과 느린 것이 있다. 원소의 종류가 결정되어 있으면 단위시간 내의 붕괴수는 그 때에 존재하는 원자수에 비례하고, 일정한 시간마다 그 양이 반감한다. 이것을 그 방사성원소의 반감기라고 한다. 방사능은 화학반응과 달리 주위의 조건에 영향을 받지 않으므로, 반감기는 각 원소마다 고유의 수치를 가진다.

예를 들면, 라듐은 약 1600년, 우라늄 238은 약 45억년으로 지구의 연령과 거의 같다. 방사능의 세기는 반감기가 짧은 것일수록 분량에 비해서 방출하는 방사선의 강도가 세다. 따라서 핵폭발에 의해서 생긴 방사성 낙진·원자로에서 생기는 방사성 폐기물 등은, 방사능이 강하고 수명이 짧은 원소가 먼저 감쇠하며, 방사능이 비교적 약하지만 수명이 긴 것이 잔류한다.
이 중에서 생체에 미치는 영향으로 보아, 스트론튬 90(반감기 28년)·세슘 137(반감기 33년) 등의 잔류방사능이 중요하다.

4) 단위
방사성 물질을 방사능이라는 측면에서양적으로 나타내는 데는 흔히 퀴리(Ci)라는 단위가 사용된다. 이것은 매초 370억 개의 원자핵이 붕괴하는 방사성 물질의 양을 1 Ci로 한 것으로서 라듐은 1 g이 1 Ci에 해당하지만, 일반적으로 단위시간 내에 일어나는 원자붕괴수가 원자핵의 종류에 따라 다르므로 1 Ci가 몇 g에 해당하는가는 원자핵의 종류에 달려 있다. 1 Ci의 1/1,000을 1 mCi, 100만분의 1을 1 μmCi라고 한다.

5) 방사능의 위험성
방사능에 의해서 방출되는 방사선은 인체에 해로우며, 이것을 다룰 때는 세심한 주의와 엄중한 관리, 완벽한 시설이 요구된다. 방사능에 의한 방사선 장애는 인체가 외부로부터 방사선을 쐬는 외부조사(外部照射)에 의해서도 일어나지만, 입·코·상처 등을 통해서 체내로 들어간 방사성 물질이 방출하는 방사선에 의한 내부조사에 의해서도 일어난다.

장애의 발생률은 일반적으로 쐰 방사선량이 많을수록 높지만, 유전효과나 백혈병의 발생 등과 같은 경우에는 방사선량이 아무리 작아도 발생률이 0이 되지는 않고 최소한의 값을 가질 가능성이 있다. 따라서 방사능에 대해서는 어떤 세기(허용량) 이하이면 절대 안전하다는 보증은 없으며, 아무리 작은 선량(線量)이라도 그것을 쐬는 사람의 수효가 많으면 많은 장애가 발생할 우려가 있다. 그러므로 원자력 발전, 원자력 함선, 핵폭발 등에 따르는 주민환경의 방사능 오염은 경계해야 한다.

1945~63년 미국·소련 등은 대기권 내나 고공에서 총계 600 Mt (이것은 일본 히로시마에 떨어진 원자폭탄의 3만 개에 해당한다)의 핵폭발을 실험함으로써 방사성 낙진(fall-out:죽음의 재)을 전세계에 뿌려서 대기 속의 방사성 탄소 14C를 거의 배가시켰다. 최근까지 지표면에 강하한 양은 가장 해로운 90Sr만도 10 MCi 이상이며, 유전에 나쁜 영향을 미치는 137Cs이 15 MCi 전후이다.

R.포링에 의하면, 이로 말미암아 백혈병·암환자가 수십만 명 증가하고, 태어날 기형아가 160만 명, 사산·조산아가 1600만 명 전후로 증가할 우려가 있다고 한다.