Fizyka to naukowe badanie materii i energii oraz ich interakcji. Energia, taka jak światło, ciepło lub dźwięk, która jest emitowana z jednego źródła, przemieszcza się przez przestrzeń lub materiał, a następnie jest pochłaniana przez inny obiekt, określana jest jako promieniowanie. Fizyka promieniowania to dziedzina fizyki zajmująca się badaniem wpływu promieniowania na materię. Ta dziedzina odegrała kluczową rolę w zapewnieniu ulepszonych procesów produkcyjnych, energii jądrowej oraz zaawansowanych opcji diagnostyki medycznej i leczenia.
Rodzaje promieniowania badane przez fizyków obejmują promieniowanie alfa, beta i gamma, neutrony i promieniowanie rentgenowskie. Alfa to cząstki zawierające dwa protony i dwie elekcje, które są emitowane z jądra atomu. Beta to cząstki o dużej prędkości, które wydają się identyczne z elektronami. Neutrony to neutralne cząstki w jądrze wszystkich komórek. Promienie gamma są emitowane przez jądro, a promieniowanie rentgenowskie jest wynikiem zmian energii w jądrze.
Technologia rentgenowska jest jednym z najbardziej znanych zastosowań fizyki promieniowania i ma kilka zastosowań produkcyjnych. Na przykład przemysł motoryzacyjny wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie o wysokiej energii do oceny osiągów silnika. Mikroskopy rentgenowskie służą do kontroli stentów i cewników podczas procesu produkcyjnego, a rentgenowskie mierniki grubości mierzą skład chemiczny stopów metali. Radiografia rentgenowska jest nawet wykorzystywana przez archeologów do badania starożytnych artefaktów.
Przemysł naftowy wykorzystał zastosowania fizyki promieniowania w obróbce i produkcji ropy naftowej. Firmy naftowe stosują proces radiacyjny zwany krakingiem termicznym radiacyjnym (RTC) podczas produkcji ropy naftowej, oleju opałowego, smoły i przetwarzania produktów ubocznych wydobycia ropy naftowej. RTC charakteryzuje się wyższą szybkością produkcji, niższymi kosztami i znacznie niższym zużyciem energii niż tradycyjne metody. Radioterapia zanieczyszczeń olejowych zapewnia większą ochronę środowiska niż inne metody.
Energia jądrowa to rozwijająca się dziedzina oparta na stosowanej fizyce promieniowania. W procesie znanym jako rozszczepienie jądrowe energia jest wydobywana z atomów podczas kontrolowanych reakcji jądrowych. Podczas gdy Stany Zjednoczone wytwarzają największą ilość energii jądrowej, Francja wytwarza największy procent dostaw energii elektrycznej w swoim kraju poprzez reaktory jądrowe.
Dziedziną, która najbardziej skorzystała na fizyce promieniowania, jest jednak medycyna. Dzięki zastosowaniu fizyki naukowcy opracowali metody wykorzystania promieniowania jonizującego do diagnozowania i leczenia schorzeń. Obejmuje to nie tylko tradycyjne formy promieniowania rentgenowskiego, ale także ultradźwięki, rezonans magnetyczny (MRI) i medycynę nuklearną.
Większość medycyny nuklearnej obejmuje obrazowanie i wykorzystuje komputery, czujniki i materiały radioaktywne zwane radiofarmaceutykami. Promieniowanie rentgenowskie, najstarsza forma obrazowania, wykorzystuje do tworzenia obrazów promienie świetlne o wysokiej częstotliwości. Promienie gamma mają jeszcze wyższe częstotliwości i są wykorzystywane w obrazowaniu jądrowym. Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) i tomografia komputerowa z emisją pojedynczych fotonów (SPECT) to dwa z najczęściej używanych urządzeń do obrazowania jądrowego.
Najczęstszym zastosowaniem radioterapii jest leczenie guzów nowotworowych. Zwykle wiąże się to z deponowaniem wysokoenergetycznych promieni rentgenowskich w komórkach rakowych. Promieniowanie jest pochłaniane przez komórkę, powodując jej śmierć. Promieniowanie jest na ogół dostarczane do guza ze źródła zewnętrznego. Wyzwaniem dla fizyków medycznych jest takie ukierunkowanie promieniowania, aby zniszczyć jak najmniejszą liczbę zdrowych komórek.
Brachyterapia radiacyjna polega na wewnętrznym zastosowaniu materiałów radiacyjnych. W tym leczeniu radioaktywne „nasiona” są wszczepiane w pobliżu guza. Uwalnianie promieniowania jest powolne, a odległość między nasionami a guzem jest na tyle krótka, że ekspozycja na promieniowanie zdrowych komórek jest ograniczona.
Korzyści płynące z fizyki promieniowania obejmują kilka dyscyplin i branż. Obawy o potencjalne wyczerpywanie się paliw kopalnych sprawiają, że rozwój energetyki jądrowej jest stałym priorytetem w wielu krajach. Dziedzina medycyny nuklearnej eksploduje, a nowe testy i metody leczenia są szybko opracowywane, co sprawia, że fizyka promieniowania staje się dyscypliną, która będzie się rozwijać.