In termini più ampi, gli studi di fisica si concentrano sugli oggetti fisici, sulla loro materia compositiva e sulle loro interazioni e movimento attraverso lo spazio e il tempo. La fisica viene utilizzata come mezzo per spiegare eventi e situazioni che si verificano nel mondo naturale, e le teorie fisiche sono quindi una componente forte di diverse discipline scientifiche, tra cui l’astronomia, la biologia e gli studi nucleari. L’uso della fisica nella medicina nucleare implica l’applicazione di principi fisici e teorie come il decadimento radioattivo e la fusione o la fissione per generare tecnologia medica. Lo studio della materia ai livelli più elementari delle cellule delle particelle è la pietra angolare della fisica nella medicina nucleare. I principi della fisica nucleare sono più spesso utilizzati in ambito medico nei test di immagini e nella creazione di farmaci.
La medicina nucleare è una forma di fisica applicata. Le applicazioni della fisica nella medicina nucleare fanno uso di teorie e sottodiscipline della fisica per progettare e creare oggetti di lavoro o nuovi metodi per eseguire compiti. Usano metodi scientifici rigorosamente testati e tentano di applicare leggi scientifiche stabili e immutabili. La meccanica quantistica, ad esempio, è un sottocampo della fisica che affronta il modo in cui particelle come quelle generate nel decadimento radioattivo hanno anche proprietà ondulatorie e come queste particelle interagiscono sia tra loro che con le forze energetiche.
La fisica nucleare è il fondamento della tecnologia nucleare, compresa la medicina nucleare. Questo ampio campo è focalizzato sui nuclei che si trovano negli atomi, in particolare sulla loro struttura e interazioni. Gli scienziati possono manipolare le parti interne di queste cellule e creare potenti reazioni, che di solito producono radiazioni, un principio fisico di base dell’energia che si muove nello spazio. Le attività di ricerca nucleare che possono generare energia includono l’accelerazione, il riscaldamento, il trasferimento, il decadimento, la scissione e la fusione. Queste ultime attività sono particolarmente importanti nella medicina nucleare.
La fissione e la fusione sono reazioni nucleari che possono essere utilizzate per generare energia per la fisica in medicina nucleare. Il primo evento implica la scissione di particelle atomiche, mentre il secondo implica la combinazione di materiale atomico. I fisici inducono queste reazioni in dispositivi chiamati reattori nucleari. In campo medico, i reattori di ricerca sono spesso utilizzati per analisi, per test e per la produzione di radioisotopi, ovvero il materiale nucleare degli atomi.
Una componente principale della fisica nucleare in medicina riguarda la diagnostica per immagini. Questi processi, chiamati anche imaging dei nuclidi, avvengono quando il medico inietta particelle di nuclidi nel corpo. Quando queste particelle decadono, generano forme radioattive di energia chiamate raggi gamma. Attrezzature specifiche come le telecamere gamma rilevano quindi le differenze di radioattività. Le variazioni spesso danno un’idea delle capacità funzionali di diverse regioni e parti del corpo.
Nel decadimento radioattivo come quello riscontrato nelle pratiche di imaging, le attività delle particelle sono note in fisica come interazioni deboli perché non creano un effetto forte e vincolante. Altri tipi di interazione di base in fisica includono l’elettromagnetismo e la gravità. I medici utilizzano le interazioni delle particelle caricate elettricamente nell’elettromagnetismo per creare macchine per la risonanza magnetica (MRI).
Un’altra applicazione della fisica nella medicina nucleare si verifica quando i materiali nuclidi vengono utilizzati per trattamenti medici. Ad esempio, quando il materiale radionuclide viene combinato con determinati tipi di farmaci, il risultato di questa interazione sono i radiofarmaci. Questi trattamenti sono usati più spesso per tipi specifici di condizioni, come il cancro. Le fonti di radiazioni di energia diretta possono essere utilizzate anche nei trattamenti di radioterapia del cancro, in cui i raggi di radiazioni sono diretti verso aree bersaglio del corpo nella speranza che distruggano le sostanze nocive.