当放射线照射肿瘤时可发生的物理作用引发机体的生物效应，生物效应首先发生于细胞内，靶分子是细胞核，继而引起受照肿瘤组织细胞死亡。细胞对放射的反应分为以下3个阶段。1)物理阶段，放射线作用于生物体后产生次级电子，次级电子通过相邻原子时使之激发或电离，导致一连串的电离事件。2)化学阶段，电离作用可产生有机自由基，使细胞核中的DNA物质发生化学变化，出现碱基破坏、酶损伤、DNA单链与双链断裂或交联。3)生物反应阶段，部分处于有丝分裂间期的细胞受照后所有功能都终止，立即死亡。部分正在分裂的细胞受到照射后在分裂几次后出现死亡。