Dalam istilah yang paling luas, studi fisika fokus pada objek fisik, materi komposisinya dan interaksi serta pergerakannya melalui ruang dan waktu. Fisika digunakan sebagai sarana untuk menjelaskan peristiwa dan situasi yang terjadi di alam, dan oleh karena itu teori fisika merupakan komponen yang kuat dari beberapa disiplin ilmu, termasuk astronomi, biologi, dan studi nuklir. Penggunaan fisika dalam kedokteran nuklir melibatkan penerapan prinsip dan teori fisika seperti peluruhan radioaktif dan fusi atau fisi untuk menghasilkan teknologi medis. Mempelajari materi pada tingkat sel partikel paling dasar adalah landasan fisika dalam kedokteran nuklir. Prinsip dalam fisika nuklir paling sering digunakan secara medis dalam pengujian gambar dan pembuatan farmasi.
Kedokteran nuklir adalah bentuk fisika terapan. Aplikasi fisika dalam kedokteran nuklir memanfaatkan teori dan subdisiplin fisika untuk merancang dan membuat objek kerja atau metode baru untuk melakukan tugas. Mereka menggunakan metode ilmiah yang diuji secara ketat dan berusaha menerapkan hukum ilmiah yang stabil dan tidak berubah. Mekanika kuantum, misalnya, adalah subbidang fisika yang membahas bagaimana partikel seperti yang dihasilkan dalam peluruhan radioaktif juga memiliki sifat seperti gelombang dan bagaimana partikel ini berinteraksi satu sama lain dan dengan gaya energi.
Fisika nuklir adalah dasar dari teknologi nuklir, termasuk kedokteran nuklir. Bidang luas ini difokuskan pada inti yang ditemukan dalam atom, terutama struktur dan interaksinya. Para ilmuwan dapat memanipulasi bagian dalam sel-sel ini dan menciptakan reaksi yang kuat, yang biasanya menghasilkan radiasi — prinsip fisika dasar energi yang bergerak melalui ruang angkasa. Kegiatan penelitian nuklir yang dapat menghasilkan energi antara lain mempercepat, memanaskan, mentransfer, meluruh, membelah dan melebur. Kegiatan terakhir sangat menonjol dalam kedokteran nuklir.
Fisi dan fusi adalah reaksi nuklir yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi untuk fisika dalam kedokteran nuklir. Peristiwa pertama melibatkan pemisahan partikel atom, sedangkan yang terakhir melibatkan penggabungan bahan atom bersama-sama. Fisikawan menginduksi reaksi ini dalam perangkat yang disebut reaktor nuklir. Dalam bidang medis, reaktor riset sering digunakan untuk analisis, pengujian dan produksi radioisotop, atau bahan nuklir atom.
Komponen utama fisika nuklir dalam kedokteran berkaitan dengan pencitraan diagnostik. Proses ini – juga disebut pencitraan nuklida – terjadi ketika dokter menyuntikkan partikel nuklida ke dalam tubuh. Saat partikel-partikel ini meluruh, mereka menghasilkan bentuk energi radioaktif yang disebut sinar gamma. Peralatan khusus seperti kamera gamma kemudian mendeteksi perbedaan radioaktivitas. Variasi sering memberikan wawasan tentang kapasitas fungsional berbagai daerah dan bagian tubuh.
Dalam peluruhan radioaktif seperti yang ditemukan dalam praktik pencitraan, aktivitas partikel dikenal dalam fisika sebagai interaksi lemah karena tidak menciptakan efek yang kuat dan mengikat. Jenis lain dari jenis interaksi dasar dalam fisika termasuk elektromagnetisme dan gravitasi. Dokter menggunakan interaksi partikel bermuatan listrik dalam elektromagnetik untuk membuat mesin magnetic resonance imaging (MRI).
Aplikasi lain fisika dalam kedokteran nuklir terjadi ketika bahan nuklida digunakan untuk perawatan medis. Misalnya, ketika bahan radionuklida digabungkan dengan jenis obat tertentu, hasil interaksi ini adalah radiofarmasi. Perawatan ini paling sering digunakan untuk jenis kondisi tertentu, seperti kanker. Sumber radiasi energi langsung juga dapat digunakan dalam pengobatan terapi radiasi kanker, di mana pancaran sinar radiasi diarahkan ke area target dalam tubuh dengan harapan akan menghancurkan zat berbahaya.