При непрямій дії іонізуючих випромінювань найбільш виражений процес радіолізу (радіаційного руйнування) води, тому що вода становить основу найважливіших структур клітини (80-90%). Саме у воді розчинені білки, нуклеїнові кислоти, ферменти, гормони й інші життєво важливі речовини, що є основними компонентами клітини, яким легко може бути передана енергія, спочатку поглинена водою.
Процес радіолізу води відбувається в три фази: у фізичній - триває 10-13-10-16с; у фазі первинних фізико-хімічних перетворень - 10-6-10-9с; у фазі хімічних реакцій – 10-5-10-6c. Фізична фаза - один з моментів прямої дії іонізуючого випромінювання на молекулярні й біологічні структури клітини.
У фізичній фазу відбувається взаємодія іонізуючого випромінювання з молекулою води, у результаті чого вибивається електрон із зовнішньої орбіти атома й утворюється позитивно заряджений іон води.
Маючи дуже високу хімічну активність за рахунок наявності неспареного електрона, вільні радикали взаємодіють один з одним або з розчиненими у воді речовинами.
Поява вільних радикалів і їхня взаємодія, становлять етап первинних хімічних реакцій води й розчинених у ній речовин, а у випадках опромінення тварин і рослин - і біологічних молекул.
Взаємодія вільних радикалів з органічними й неорганічними речовинами йде по типу окислювально-відновних реакцій і становить ефект непрямої дії.
Величина прямої й непрямої дії в первинних радіобіологічних ефектах різних систем неоднакова. В абсолютно чистих сухих речовинах буде переважати пряма, а в слабо-розчинених – вплив непрямої дії радіації. У тварин, за даними A.M. Кузина, приблизно 45% поглиненої енергії випромінювання діє безпосередньо на молекулярні структури - пряма дія, а інші 55% енергії викликають непряму дію.
Про відмінність прямої й непрямої дії радіації на біологічні об'єкти й величину їхнього впливу на розвиток променевого ураження, на думку авторів теорії, можна судити по двох феноменах - ефекту розведення й кисневому ефекту.
Ефект розведення - стан, при якому абсолютне число ушкоджених молекул речовин у слабкому розчині не залежить від його концентрації й залишається для даної експозиційної дози постійним.
Кисневий ефект. З підвищенням концентрації кисню в навколишньому середовищі й об'єкті опромінення підсилюється ефект променевого ураження, і навпаки, при зниженні концентрації кисню спостерігається зменшення ступеня променевого ураження.