La fisica è lo studio scientifico della materia e dell’energia e della loro interazione. L’energia, come la luce, il calore o il suono, che viene emessa da una fonte, viaggia attraverso lo spazio o la materia e quindi viene assorbita da un altro oggetto, è definita radiazione. La fisica delle radiazioni è la branca della fisica che studia gli effetti delle radiazioni sulla materia. Questo campo è stato determinante nel fornire processi di produzione migliorati, energia nucleare e opzioni diagnostiche e terapeutiche mediche avanzate.
I tipi di radiazioni studiati dai fisici includono raggi alfa, beta e gamma, neutroni e raggi X. Gli alfa sono particelle contenenti due protoni e due elezioni che vengono emesse dal nucleo di un atomo. I beta sono particelle ad alta velocità che sembrano identiche agli elettroni. I neutroni sono le particelle neutre all’interno del nucleo di tutte le cellule. I raggi gamma sono emessi dal nucleo e i raggi X sono il risultato di cambiamenti di energia nel nucleo.
La tecnologia a raggi X è una delle applicazioni più familiari della fisica delle radiazioni e ha diverse applicazioni di produzione. Ad esempio, l’industria automobilistica utilizza raggi X ad alta energia per valutare le prestazioni del motore. I microscopi a raggi X vengono utilizzati per ispezionare stent e cateteri durante il processo di produzione e gli spessimetri a raggi X misurano la composizione chimica delle leghe metalliche. La radiografia a raggi X viene persino utilizzata dagli archeologi per esaminare antichi manufatti.
L’industria petrolifera ha impiegato applicazioni della fisica delle radiazioni nel trattamento e nella produzione del petrolio. Le compagnie petrolifere utilizzano un processo di radiazione chiamato cracking termico per radiazione (RTC) durante la produzione di petrolio greggio, olio combustibile, catrame e il trattamento dei sottoprodotti di scarto dell’estrazione del petrolio. RTC ha un tasso di produzione più elevato, costi inferiori e un consumo energetico molto inferiore rispetto ai metodi tradizionali. Il trattamento con radiazioni dei contaminanti dell’olio fornisce una maggiore protezione ambientale rispetto ad altri metodi.
L’energia nucleare è un campo in crescita che si basa sulla fisica delle radiazioni applicata. Attraverso un processo noto come fissione nucleare, l’energia viene estratta dagli atomi durante le reazioni nucleari controllate. Mentre gli Stati Uniti producono la più grande quantità di energia nucleare, la Francia produce la più alta percentuale della fornitura elettrica della sua nazione attraverso i reattori nucleari.
Il campo che ha beneficiato maggiormente della fisica delle radiazioni, tuttavia, è la medicina. Attraverso l’applicazione della fisica, gli scienziati hanno sviluppato metodi per utilizzare le radiazioni ionizzanti per la diagnosi e il trattamento di condizioni mediche. Ciò include non solo le forme tradizionali di raggi X, ma anche gli ultrasuoni, la risonanza magnetica (MRI) e la medicina nucleare.
La maggior parte della medicina nucleare coinvolge l’imaging e utilizza computer, sensori e materiali radioattivi chiamati radiofarmaci. I raggi X, la forma più antica di imaging, utilizza raggi luminosi ad alta frequenza per costruire immagini. I raggi gamma hanno frequenze ancora più elevate e vengono utilizzati nell’imaging nucleare. La tomografia a emissione di positroni (PET) e la tomografia computerizzata a emissione di fotoni singoli (SPECT) sono due delle apparecchiature di imaging nucleare più utilizzate.
L’uso più comune della radioterapia è il trattamento dei tumori cancerosi. Questo di solito comporta il deposito di raggi X ad alta energia nelle cellule tumorali. La radiazione viene assorbita dalla cellula, provocandone la morte. La radiazione è generalmente consegnata al tumore attraverso una fonte esterna. La sfida per i fisici medici consiste nel dirigere le radiazioni in modo tale da distruggere il numero minimo di cellule sane.
La brachiterapia con radiazioni comporta l’applicazione interna di materiali radianti. In questo trattamento, i “semi” radioattivi vengono impiantati vicino al tumore. Il rilascio di radiazioni è lento e la distanza tra i semi e il tumore è abbastanza breve da limitare l’esposizione alle radiazioni delle cellule sane.
I vantaggi della fisica delle radiazioni attraversano diverse discipline e settori. Le preoccupazioni per il potenziale esaurimento dei combustibili fossili rendono lo sviluppo dell’energia nucleare una priorità continua in molte nazioni. Il campo della medicina nucleare sta esplodendo, con nuovi test e trattamenti in rapido sviluppo, rendendo la fisica delle radiazioni una disciplina che continuerà a crescere.