Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
D-1 
APPENDIX D.  OVERVIEW OF BASIC RADIATION PHYSICS, CHEMISTRY, 
AND BIOLOGY 
Understanding the basic concepts in radiation physics, chemistry, and biology is important to the 
evaluation and interpretation of radiation-induced adverse health effects and to the derivation of radiation 
protection principles.  This appendix presents a brief overview of the areas of radiation physics, 
chemistry, and biology and is based to a large extent on the reviews of Mettler and Moseley (1985), 
Hobbs and McClellan (1986), Eichholz (1982), Hendee (1973), Cember (1996), and Early et al. (1979). 
D.1  RADIONUCLIDES AND RADIOACTIVITY 
The substances we call elements are composed of atoms.  Atoms in turn are made up of neutrons, protons 
and electrons: neutrons and protons in the nucleus and electrons in a cloud of orbits around the nucleus.  
Nuclide is the general term referring to any nucleus along with its orbital electrons.  The nuclide is 
characterized by the composition of its nucleus and hence by the number of protons and neutrons in the 
nucleus.  All atoms of an element have the same number of protons (this is given by the atomic number) 
but may have different numbers of neutrons (this is reflected by the atomic mass numbers or atomic 
weight of the element).  Atoms with different atomic mass but the same atomic numbers are referred to as 
isotopes of an element. 
The numerical combination of protons and neutrons in most nuclides is such that the nucleus is quantum 
mechanically stable and the atom is said to be stable, i.e., not radioactive; however, if there are too few or 
too many neutrons, the nucleus is unstable and the atom is said to be radioactive.  Unstable nuclides 
undergo radioactive transformation, a process in which a neutron or proton converts into the other and a 
beta particle is emitted, or else an alpha particle is emitted.  Each type of decay is typically accompanied 
by the emission of gamma rays.  These unstable atoms are called radionuclides; their emissions are called 
ionizing radiation; and the whole property is called radioactivity.  Transformation or decay results in the 
formation of new nuclides some of which may themselves be radionuclides, while others are stable 
nuclides.  This series of transformations is called the decay chain of the radionuclide.  The first 
radionuclide in the chain is called the parent; the subsequent products of the transformation are called 
progeny, daughters, or decay products. 
In general there are two classifications of radioactivity and radionuclides:  natural and artificial (man-
made).  Naturally-occurring radioactive material (NORM) exists in nature and no additional energy is 
necessary to place them in an unstable state.  Natural radioactivity is the property of some naturally 
occurring, usually heavy elements, that are heavier than lead.  Radionuclides, such as radium and 
uranium, primarily emit alpha particles.  Some lighter elements such as carbon-14 and tritium (hydrogen-
3) primarily emit beta particles as they transform to a more stable atom.  Natural radioactive atoms 
heavier than lead cannot attain a stable nucleus heavier than lead.  Everyone is exposed to background 
radiation from naturally-occurring radionuclides throughout life.  This background radiation is the major 
source of radiation exposure to man and arises from several sources.  The natural background exposures 
are frequently used as a standard of comparison for exposures to various artificial sources of ionizing 
radiation. 
Artificial radioactive atoms are produced either as a by-product of fission of uranium or plutonium atoms 
in a nuclear reactor or by bombarding stable atoms with particles, such as neutrons or protons, directed at 
the stable atoms with high velocity.  These artificially produced radioactive elements usually decay by 
emission of particles, such as positive or negative beta particles and one or more high energy photons 
(gamma rays).  Unstable (radioactive) atoms of any element can be produced. 

---

PLUTONIUM 
D-2 
APPENDIX D 
Both naturally occurring and artificial radioisotopes find application in medicine, industrial products, and 
consumer products.  Some specific radioisotopes, called fall-out, are still found in the environment as a 
result of nuclear weapons use or testing. 
D.2  RADIOACTIVE DECAY 
D.2.1  Principles of Radioactive Decay 
The stability of an atom is the result of the balance of the forces of the various components of the nucleus. 
An atom that is unstable (radionuclide) will release energy (decay) in various ways and transform to 
stable atoms or to other radioactive species called daughters, often with the release of ionizing radiation. 
If there are either too many or too few neutrons for a given number of protons, the resulting nucleus may 
undergo transformation.  For some elements, a chain of daughter decay products may be produced until 
stable atoms are formed.  Radionuclides can be characterized by the type and energy of the radiation 
emitted, the rate of decay, and the mode of decay.  The mode of decay indicates how a parent compound 
undergoes transformation.  Radiations considered here are primarily of nuclear origin, i.e., they arise from 
nuclear excitation, usually caused by the capture of charged or uncharged nucleons by a nucleus, or by the 
radioactive decay or transformation of an unstable nuclide.  The type of radiation may be categorized as 
charged or uncharged particles, protons, and fission products) or electromagnetic radiation (gamma rays 
and x rays).  Table D-1 summarizes the basic characteristics of the more common types of radiation 
encountered. 
D.2.2  Half-Life and Activity 
For any given radionuclide, the rate of decay is a first-order process that is constant, regardless of the 
radioactive atoms present and is characteristic for each radionuclide.  The process of decay is a series of 
random events; temperature, pressure, or chemical combinations do not effect the rate of decay.  While it 
may not be possible to predict exactly which atom is going to undergo transformation at any given time, it 
is possible to predict, on average, the fraction of the radioactive atoms that will transform during any 
interval of time. 
The activity is a measure of the quantity of radioactive material.  For these radioactive materials it is 
customary to describe the activity as the number of disintegrations (transformations) per unit time.  The 
unit of activity is the curie (Ci), which was originally related to the activity of one gram of radium, but is 
now defined as that quantity of radioactive material in which there are: 
1 curie (Ci) = 3.7x10
10
 disintegrations (transformations)/second (dps) or 2.22x10
12
 disintegrations 
(transformations)/minute (dpm). 
The SI unit of activity is the becquerel (Bq); 1 Bq = that quantity of radioactive material in which there is 
1 transformation/second.  Since activity is proportional to the number of atoms of the radioactive 
material, the quantity of any radioactive material is usually expressed in curies, regardless of its purity or 
concentration.  The transformation of radioactive nuclei is a random process, and the number of 
transformations is directly proportional to the number of radioactive atoms present.  For any pure 
radioactive substance, the rate of decay is usually described by its radiological half-life, T
R
, i.e., the time 
it takes for a specified source material to decay to half its initial activity.  The specific activity is an 
indirect measure of the rate of decay, and is defined as the activity per unit mass or per unit volume. The 
higher the specific activity of a radioisotope, the faster it is decaying. 

---