Kesan biologi sinaran pengion dikira dari segi kesannya terhadap sel hidup. Bagi dedahan tahap rendah, kesan biologi amat rendah sehinggakan ia mungkin tidak dapat dikesan dalam kajian epidemiologikal. Bahan membaiki kebanyakan kerosakan radiasi dan kimia. Kesan biologi radiasi kepada sel hidup mungkin menghasilkan beberapa keputusan, termasuk:

1. Sel mengalami kerosakan DNA dan mampu mengesan dan membaiki kerosakan.
2. Sel mengalami kerosakan DNA dan gagal membaiki kerosakan. Sel mungkin melalui proses kematian sel diprogram, atau apoptosis, dengan itu menghapuskan potensi kerosakan sel kepada tisu lebih besar.
3. Sel mengalami mutasi DNA tidak membawa maut dan mutasi diwariskan kepada pembahagian sel berikut. Mutasi ini mungkin menyumbang kepada pembentukan barah.

Pemerhatian lain pada tahap tisu lebih rumit. Ia termasuk:

1. Dalam sesetengah kes, dos radiasi kecil mengurangkan kesan dos radiasi lebih besar berikutnya. Ini telah dinamakan 'tindak balas adaptif - (adaptive response)' dan berkait dengan mekanisme hipotetikal hormesis.

Hormesis

Pendapat bahawa hormesis radiasi telah ditolak oleh National Research Council. "Penyelidikan berasas saintifik menunjukkan bahawa tidak terdapat tahap dedahan di mana sinaran pengion aras rendah boleh dibuktikan sebagai tidak merbahaya atau memberi kebaikan. Risiko kesihatan – terutama bagi perkembangan barah ketul dalam organ – meningkat selari dengan pendedahan" menurut Richard R. Monson, associate dean bagi pendidikan profesional dan professor epidemiologi, Harvard School of Public Health, Boston.[1] See the National Acadamies Press book.[2].

Dedahan sinaran kronik

Pendedahan kepada sinaran pengion yang berlaku untuk tempoh masa yang lanjut dikenali sebagai dedahan kronik. Radiasi latar belakang semula jadi merupakan dedahan kronik, tetapi tahap normal sukar ditentukan kerana variasi. Lokasi geografi dan pekerjaan seringkali memberi kesan kepada dedahan kronik.

Dedahan sinaran akut

Dedahan radiasi akut merupakan dedahan kepada sinaran pengion yang berlaku bagi tempoh masa pendek. Ini adalah dedahan singkat biasa, dan tahap di mana ia menjadi penting sukar dikenal pasti. Contoh melampau termasuk

• Kilauan dari letupan nuklear.
• Dedahan bagi beberapa minit atau jam semasa pengendalian sumber amat beradioaktif.
• Kemalangan makmal atau pengilangan.
• Dos tinggi perubatan secara sengaja atau tidak sengaja.

Kesan kejadian akut lebih mudah dikaji berbanding dedahan kronik. Dedahan kronik adalah pendam (reactant).

Aras sinaran

Kaitan antara dedahan sinaran pengion dan barah kebanyakannya berasaskan populasi yang terdedah kepada aras sinaran pengion agak tinggi, seperti mereka yang terselamat dari letupan bom atom, dan penerima prosedur perubatan terapeutik dan diagnostik terpilih.

Barah dikaitkan dengan dos dedahan tinggi termasuk barah leukemia, thyroid, buah dada, pundi kencing, usus besar (colon), hati, paru-paru, esofagus, ovari, myeloma berganda, dan barah perut. Penerbitan (United States Department of Health and Human Services turut mencadangkan kemungkinan kaitan antara dedahan sinaran pengion dan barah prostate, ruang hidung (nasal cavity)/sinuses, pharyngeal dan laryngeal, dan pancreatik.

Tempoh antara dedahan radiasi dan pengesanan barah dikenali sebagai tempoh pendam. Barah yang mungkin terhasil akibat dedahan radiasi tidak dapat dibezakan dengan yang terhasil secara semula jadi atau akibat dedahan kepada karkinogen bahan kimia. Tambahan lagi, penerbitan National Cancer Institute menunjukkan indicates bahawa bahan kimia lain dan bahawa fizikal dan faktor gaya hidup, seperti merokok, minum arak (alkohol), dan pemakanan, banyak menyumbang kepada penyakit yang sama.

Sungguhpun radiasi mungkin menyebabkan barah pada dos tinggi dan kadar dos tinggi, data kesihatan awam berkait dengan pendedahan lebih rendah, bawah sekitar 1,000 mrem (10 mSv), lebih sukar difahami. Untuk mengukur kesan kesihatan pada dos rendah, penyelidik bergantung kepada model proses radiasi membentuk barah; beberapa model muncul bagi meramal tahap risiko berlainan. Salah satu yang kajian terkini dan paling menyeluruh mengenai pekerja adalah yang diterbitkan oleh Cardis et al. in 2005 .

Model tindak-balas dos linear mencadangkan bahawa sebarang peningkatan dalam dos, tidak kira berapa kecil, menyebabkan peningkatan risiko. Hipotesis model linear tanpa garis asas - linear no-threshold model (LNT) diterima oleh Nuclear Regulatory Commission (NRC) dan EPA dan pengesahannya telah diakui oleh National Academy of Sciences Committee. (lihat laporan BEIR VII, ringkasan di .) Bawah model ini, sekitar 1% dari populasi akan mendapat barah dalam jangka hayat mereka disebabkan sinaran pengion dari aras latar belakang sumber semula jadi dan buatan.

Kesemua sinaran pengion menyerang tisu hidup dengan menyebabkan pengionan, yang mengganggu molekul secara langsung dan menghasilkan radikal amat reaktif, yang menyerang sel berdekatan. Kesan bersih adalah molekul biologi mengalami gangguan tempatan. Dos radiasi amat tinggi mengganggu sel dengan merosakkan kebanyakan mesin selular. Dos lebih rendah turut merosakkan mesin selular, tetapi kerosakan mampu dibaiki dengan berkesan, atau dos itu cukup bagi terus memusnahkan sel memberi kesan kepada proses penyalinan dengan teruknya.

Sindrom ini dikenali dalam kebanyakan mangsa bom atom 1945 dan pekerja kecemasan yang bertindak balas kepada kemalangan Chernobyl 1986.

Sekitar 134 pekerja logi dan anggota bomba melawan api di logi kuasa Chernobyl menerima dos radiasi sehingga (70,000 hingga 1,340,000 mrem atau 700 hingga 13,400 mSv) dan mengalami sakit radiasi akut. Dari ini, 28 meninggal akibat kecederaan radiasi.

Kesan jangka panjang kemalangan Chernobyl turut dikaji. Terdapat kaitan jelas (lihat UNSCEAR 2000 Report, Volume 2: Effects) antara kemalangan Chernobyl dan sejumlah besar, sekitar 1,800, barah thyroid dilaporkan di kawasan tercemar, kebanyakannya di kalangan kanak-kanak. Ini membawa maut dalam sesetengah kes. Kesan kesihatan lain dalam kemalangan Chernobyl sedang diperdebatkan.

Contoh aras sinaran pengion

Mengenal pasti kesan dedahan radiasi akut digambarkan dalam rencana keracunan radiasi. Unit ukuran tepat berbeza, tetapi sakit radiasi bermula sekitar 50–100 rad (0.5–1 gray (Gy), 0.5–1 Sv, 50–100 rem, 50,000–100,000 mrem).

Sungguhpun unit SI dos radiasi bersamaan dengan sievert, aras radiasi kronik dan piwaian seringkali masih diberikan dalam millirems, 1/1000th rem (1 mrem = 0.01 mSv).

Jadual berikut merangkumi dos jangka pendek bagi tujuan perbandingan.