U najširem smislu, studije fizike se fokusiraju na fizičke objekte, njihovu kompozicijsku materiju i njihove interakcije i kretanje kroz prostor i vrijeme. Fizika se koristi kao sredstvo za objašnjenje događaja i situacija koje se događaju u prirodnom svijetu, te su teorije fizike stoga jaka komponenta nekoliko znanstvenih disciplina, uključujući astronomiju, biologiju i nuklearne studije. Upotreba fizike u nuklearnoj medicini uključuje primjenu principa i teorija fizike kao što su radioaktivni raspad i fuzija ili fisija na generiranje medicinske tehnologije. Proučavanje materije na najosnovnijim razinama stanica čestica kamen je temelj fizike u nuklearnoj medicini. Načela u nuklearnoj fizici najčešće se medicinski koriste u testiranju slika i farmaceutskom stvaranju.
Nuklearna medicina je oblik primijenjene fizike. Primjena fizike u nuklearnoj medicini koristi fizičke teorije i poddiscipline za dizajn i stvaranje radnih objekata ili novih metoda za obavljanje zadataka. Koriste rigorozno provjerene znanstvene metode i pokušavaju primijeniti stabilne i nepromjenjive znanstvene zakone. Kvantna mehanika, na primjer, je podpolje fizike koje se bavi time kako čestice poput onih koje nastaju radioaktivnim raspadom također imaju valna svojstva i kako te čestice međusobno djeluju i s energetskim silama.
Nuklearna fizika je temelj nuklearne tehnologije, uključujući nuklearnu medicinu. Ovo široko polje usredotočeno je na jezgre koje se nalaze u atomima, posebice njihovu strukturu i interakcije. Znanstvenici mogu manipulirati unutarnjim dijelovima tih stanica i stvoriti snažne reakcije, koje obično proizvode zračenje – osnovni princip fizike kretanja energije kroz svemir. Nuklearne istraživačke aktivnosti koje mogu generirati energiju uključuju ubrzavanje, zagrijavanje, prijenos, raspadanje, cijepanje i spajanje. Potonje aktivnosti posebno su istaknute u nuklearnoj medicini.
Fisija i fuzija su nuklearne reakcije koje se mogu koristiti za generiranje energije za fiziku u nuklearnoj medicini. Prvi događaj uključuje cijepanje atomskih čestica, dok drugi uključuje kombiniranje atomskog materijala zajedno. Fizičari induciraju te reakcije u uređajima koji se nazivaju nuklearni reaktori. U području medicine, istraživački reaktori se često koriste za analizu, testiranje i proizvodnju radioizotopa, odnosno nuklearnog materijala atoma.
Glavna komponenta nuklearne fizike u medicini odnosi se na dijagnostičko snimanje. Ti se procesi – koji se također nazivaju nuklidnim slikanjem – odvijaju kada liječnik ubrizgava nuklidne čestice u tijelo. Kako se te čestice raspadaju, stvaraju radioaktivne oblike energije zvane gama zrake. Specifična oprema kao što su gama kamere tada otkrivaju razlike u radioaktivnosti. Varijacije često daju uvid u funkcionalne kapacitete različitih regija i dijelova tijela.
U radioaktivnom raspadu kakav se nalazi u praksi snimanja, aktivnosti čestica poznate su u fizici kao slabe interakcije jer ne stvaraju jak i obvezujući učinak. Druge vrste osnovnih tipova interakcija u fizici uključuju elektromagnetizam i gravitaciju. Liječnici koriste interakcije električnih nabijenih čestica u elektromagnetizmu za stvaranje strojeva za magnetsku rezonancu (MRI).
Druga primjena fizike u nuklearnoj medicini javlja se kada se nuklidni materijali koriste za medicinske tretmane. Na primjer, kada se radionuklidni materijal kombinira s određenim vrstama lijekova, rezultat te interakcije su radiofarmaci. Ovi se tretmani najčešće koriste za specifične vrste stanja, kao što je rak. Izravni izvori zračenja energije također se mogu koristiti u tretmanima radijacijske terapije raka, u kojima se snopovi zraka zračenja usmjeravaju na ciljana područja u tijelu u nadi da će uništiti štetne tvari.