Одним из важнейших применений ядерной физики в медицине является ядерная медицина, основанная на использовании радиоактивных изотопов. Радиоизотопы вводятся в организм пациента (внутривенно, перорально или ингаляционно) и накапливаются в определённых органах или тканях. Излучение, испускаемое изотопом, регистрируется специальными детекторами, обычно гамма-камерами.
Наиболее распространённым является изотоп технеций-99m (⁹⁹ᵐTc), обладающий коротким периодом полураспада (~6 часов) и испускающий гамма-кванты с энергией 140 кэВ — оптимальной для регистрации и минимального облучения пациента. Он используется при сканировании костей, миокарда, щитовидной железы и других органов.
ПЭТ — высокочувствительный метод ядерной диагностики, основанный на регистрации пар гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитрона с электроном. Изотопы, испускающие позитроны (например, ¹⁸F, ¹¹C, ¹³N), вводятся в организм и метаболически встраиваются в молекулы, позволяя изучать биохимические процессы в живом организме. Метод особенно важен в онкологии, неврологии и кардиологии.
В ядерной физике разрабатываются источники и методы для радиотерапии — облучения злокачественных опухолей. Применяются как внешние источники ионизирующего излучения (гамма-аппараты, ускорители электронов), так и внутренние методы — брахитерапия, при которой радиоактивные источники (например, ¹³¹I, ¹⁹²Ir) помещаются внутрь или рядом с опухолью.
Важную роль играет протонная терапия, где используются пучки протонов с энергией порядка 70–250 МэВ. За счёт эффекта Брэгга удаётся доставить максимальную дозу в глубину опухоли с минимальным повреждением окружающих тканей. Это направление активно развивается благодаря достижениям в ускорительной технике и детектировании.
Методы ядерной физики позволяют проводить бесконтактный, высокочувствительный анализ элементного состава и структуры материалов. Основные методы:
Ионные и нейтронные пучки используются для модификации структуры материалов на атомном уровне. Это позволяет улучшать прочностные, тепловые и электрические свойства:
Изотоп ¹⁴C используется для датировки органических материалов возрастом до ~50 000 лет. Метод основан на измерении остаточной концентрации ¹⁴C, распадающегося с периодом полураспада ~5730 лет. Он широко применяется в археологии, палеоэкологии и геологии.
Методы нейтронной и гамма-радиографии позволяют исследовать внутреннюю структуру артефактов, не разрушая их. Нейтроны, в отличие от фотонов, чувствительны к лёгким элементам, что делает их особенно ценными при изучении органических остатков в археологических находках.
Ионизирующее излучение используется для выявления и количественной оценки загрязняющих веществ:
Облучение высокоэнергетическими пучками (электронами, гамма-излучением) используется для деструкции токсичных органических соединений, обеззараживания медицинских и промышленных отходов, снижения токсичности и долговечности.
Физические методы контроля радиоактивных материалов на границах и объектах (детекторы нейтронов, мюонная томография, спектроскопия гамма-квантов) играют важную роль в системах нераспространения ядерного оружия. Используются для проверки деклараций, инспекций объектов и предотвращения контрабанды.
Процессы синтеза ядер в звёздах и сверхновых тесно связаны с ядерной физикой. Изучение реакций, таких как:
позволяет понять происхождение химических элементов во Вселенной.
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи), основанные на тепловом распаде изотопов (например, ²³⁸Pu), используются для энергоснабжения космических аппаратов, где невозможны солнечные панели: Voyager, Cassini, Mars Rover.
Также перспективным направлением является ядерная энергетика для космических полётов: ядерные двигатели и компактные реакторы для будущих межпланетных миссий.
Исследование ядерных спинов как носителей квантовой информации — одно из перспективных направлений в квантовых технологиях. Ядерные спины обладают высокой когерентностью и могут использоваться в качестве кубитов, особенно в системах на основе NV-центров в алмазе и молекулярных магнетиках.
Методы ионимплантации и радиационного легирования на основе ускорительных установок играют критическую роль в создании полупроводниковых приборов, особенно в наноэлектронике. Ионная имплантация позволяет точно контролировать концентрацию и распределение примесей в полупроводнике.
Использование ионизирующего излучения для стерилизации пищевых продуктов и упаковки без повышения температуры. Позволяет увеличить срок хранения без применения химии.
Меченые атомы и радиоактивные изотопы применяются для анализа возраста и источников подземных вод. Изотопы, такие как ³H, ²H, ¹⁸O, ⁸⁵Kr, ¹⁴C, позволяют определять скорость инфильтрации и путь миграции вод.
Исследования естественной радиоактивности (K, U, Th) позволяют определять возраст геологических образований, изучать тектонику, прогнозировать землетрясения, а также осуществлять радиометрическую съёмку месторождений полезных ископаемых.
Ядерная физика, как фундаментальная область, охватывает чрезвычайно широкий спектр дисциплин, внося свой вклад в науку, технологии, медицину, экологию, безопасность и освоение космоса. Многообразие её междисциплинарных приложений определяется уникальностью ядерных взаимодействий и универсальностью методов, позволяющих исследовать и преобразовывать материю на глубинном уровне.