Physik ist die wissenschaftliche Erforschung von Materie und Energie und ihrer Wechselwirkung. Energie wie Licht, Wärme oder Schall, die von einer Quelle emittiert wird, durch den Raum oder Material wandert und dann von einem anderen Objekt absorbiert wird, wird als Strahlung bezeichnet. Strahlungsphysik ist ein Teilgebiet der Physik, das die Auswirkungen von Strahlung auf Materie untersucht. Dieser Bereich war maßgeblich an der Bereitstellung verbesserter Herstellungsverfahren, Nuklearenergie und fortschrittlicher medizinischer Diagnose- und Behandlungsmöglichkeiten beteiligt.
Die von Physikern untersuchten Strahlungsarten umfassen Alpha-, Beta- und Gammastrahlen, Neutronen und Röntgenstrahlen. Alphas sind Teilchen, die zwei Protonen und zwei Wahlen enthalten, die vom Kern eines Atoms emittiert werden. Betas sind Hochgeschwindigkeitsteilchen, die mit Elektronen identisch erscheinen. Neutronen sind die neutralen Teilchen im Kern aller Zellen. Gammastrahlen werden vom Kern emittiert und Röntgenstrahlen sind das Ergebnis von Energieänderungen im Kern.
Die Röntgentechnologie ist eine der bekanntesten Anwendungen der Strahlenphysik und hat mehrere Herstellungsanwendungen. Beispielsweise verwendet die Automobilindustrie hochenergetische Röntgenstrahlen, um die Motorleistung zu bewerten. Röntgenmikroskope werden verwendet, um Stents und Katheter während des Produktionsprozesses zu inspizieren, und Röntgendickenmessgeräte messen die chemische Zusammensetzung von Metalllegierungen. Röntgenstrahlen werden sogar von Archäologen verwendet, um antike Artefakte zu untersuchen.
Die Ölindustrie hat strahlungsphysikalische Anwendungen bei der Behandlung und Produktion von Erdöl eingesetzt. Ölunternehmen verwenden bei der Produktion von Rohöl, Heizöl, Teer und der Behandlung der Abfallnebenprodukte der Ölförderung ein Strahlungsverfahren, das sogenannte Radiation Thermal Cracking (RTC). RTC hat eine höhere Produktionsrate, niedrigere Kosten und einen viel geringeren Energieverbrauch als herkömmliche Methoden. Die Strahlenbehandlung von Ölverunreinigungen bietet einen größeren Umweltschutz als andere Verfahren.
Kernenergie ist ein wachsendes Feld, das auf angewandter Strahlungsphysik basiert. Durch einen Prozess, der als Kernspaltung bekannt ist, wird den Atomen während kontrollierter Kernreaktionen Energie entzogen. Während die Vereinigten Staaten die größte Menge an Kernenergie produzieren, produziert Frankreich den höchsten Prozentsatz der Stromversorgung seines Landes durch Kernreaktoren.
Der Bereich, der am meisten von der Strahlenphysik profitiert hat, ist jedoch die Medizin. Durch die Anwendung der Physik haben Wissenschaftler Methoden entwickelt, um ionisierende Strahlung zur Diagnose und Behandlung von Krankheiten zu verwenden. Dazu gehören nicht nur die klassischen Formen des Röntgens, sondern auch Ultraschall, Magnetresonanztomographie (MRT) und Nuklearmedizin.
Der Großteil der Nuklearmedizin umfasst Bildgebung und verwendet Computer, Sensoren und radioaktive Materialien, die als Radiopharmaka bezeichnet werden. Röntgenstrahlen, die älteste Form der Bildgebung, verwenden hochfrequente Lichtstrahlen, um Bilder zu erstellen. Gammastrahlen haben noch höhere Frequenzen und werden in der nuklearen Bildgebung verwendet. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und die Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) sind zwei der am weitesten verbreiteten Geräte der nuklearen Bildgebung.
Die häufigste Anwendung der Strahlentherapie ist die Behandlung von Krebstumoren. Dabei werden in der Regel hochenergetische Röntgenstrahlen in die Krebszellen eingestrahlt. Die Strahlung wird von der Zelle absorbiert und stirbt ab. Der Tumor wird im Allgemeinen durch eine externe Quelle bestrahlt. Die Herausforderung für Medizinphysiker besteht darin, die Strahlung so zu lenken, dass möglichst wenige gesunde Zellen zerstört werden.
Die Strahlenbrachytherapie beinhaltet die interne Anwendung von Bestrahlungsmaterialien. Bei dieser Behandlung werden radioaktive „Samen“ in der Nähe des Tumors implantiert. Die Strahlung wird langsam freigesetzt und der Abstand zwischen Seeds und Tumor ist kurz genug, um die Strahlenbelastung gesunder Zellen zu begrenzen.
Die Vorteile der Strahlenphysik erstrecken sich über mehrere Disziplinen und Branchen. Bedenken hinsichtlich einer möglichen Erschöpfung fossiler Brennstoffe machen die Entwicklung der Kernenergie in vielen Ländern zu einer anhaltenden Priorität. Der Bereich der Nuklearmedizin explodiert, neue Tests und Behandlungen werden schnell entwickelt, was die Strahlenphysik zu einer Disziplin macht, die weiter wachsen wird.