Laiemas plaanis keskenduvad füüsikaõpingud füüsilistele objektidele, nende kompositsioonilisele ainele ning nende vastastikmõjudele ja liikumisele läbi ruumi ja aja. Füüsikat kasutatakse vahendina loodusmaailmas toimuvate sündmuste ja olukordade selgitamiseks ning seetõttu on füüsikateooriad mitme teadusharu, sealhulgas astronoomia, bioloogia ja tuumauuringute tugev osa. Füüsika kasutamine tuumameditsiinis hõlmab füüsika põhimõtete ja teooriate, nagu radioaktiivne lagunemine ja termotuumasünteesi või lõhustumine, rakendamist meditsiinitehnoloogia loomisel. Aine uurimine kõige elementaarsematel osakeste rakkude tasemel on tuumameditsiini füüsika nurgakivi. Tuumafüüsika põhimõtteid kasutatakse meditsiiniliselt kõige sagedamini kujutiste testimisel ja ravimite loomisel.
Tuumameditsiin on rakendusfüüsika vorm. Füüsika rakendused tuumameditsiinis kasutavad füüsikateooriaid ja aladistsipliinid tööobjektide või ülesannete täitmiseks uute meetodite kavandamiseks ja loomiseks. Nad kasutavad rangelt testitud teaduslikke meetodeid ja püüavad rakendada stabiilseid ja muutumatuid teaduslikke seadusi. Näiteks kvantmehaanika on füüsika alamväli, mis käsitleb seda, kuidas osakesed, nagu need, mis tekivad radioaktiivse lagunemise käigus, omavad ka lainelisi omadusi ja kuidas need osakesed interakteeruvad nii üksteisega kui ka energiajõududega.
Tuumafüüsika on tuumatehnoloogia, sealhulgas tuumameditsiini vundament. See lai valdkond on keskendunud aatomites leiduvatele tuumadele, eriti nende struktuurile ja vastastikmõjudele. Teadlased saavad manipuleerida nende rakkude sisemiste osadega ja tekitada võimsaid reaktsioone, mis tavaliselt tekitavad kiirgust – ruumis liikuva energia põhifüüsikalist põhimõtet. Tuumauuringud, mis võivad energiat toota, hõlmavad kiirendamist, kuumutamist, ülekandmist, lagunemist, lõhenemist ja sulatamist. Viimased tegevused on eriti silmapaistvad nukleaarmeditsiinis.
Lõhustumine ja termotuumasüntees on tuumareaktsioonid, mida saab kasutada tuumameditsiinis füüsika jaoks energia tootmiseks. Esimene sündmus hõlmab aatomiosakeste jagamist, samas kui viimane hõlmab aatomimaterjali ühendamist. Füüsikud kutsuvad need reaktsioonid esile seadmetes, mida nimetatakse tuumareaktoriteks. Meditsiinivaldkonnas kasutatakse uurimisreaktoreid sageli analüüsiks, katsetamiseks ja radioisotoopide või aatomite tuumamaterjali tootmiseks.
Tuumafüüsika põhikomponent meditsiinis on seotud diagnostilise pildistamisega. Need protsessid, mida nimetatakse ka nukliidkuvamiseks, toimuvad siis, kui arst süstib kehasse nukliidosakesi. Kuna need osakesed lagunevad, tekitavad nad radioaktiivseid energiavorme, mida nimetatakse gammakiirguseks. Eriseadmed, nagu gammakaamerad, tuvastavad seejärel erinevused radioaktiivsuses. Variatsioonid annavad sageli ülevaate erinevate kehapiirkondade ja -osade funktsionaalsetest võimetest.
Radioaktiivse lagunemise korral, nagu see, mida leidub pildistamise praktikas, on osakeste aktiivsus füüsikas tuntud kui nõrk interaktsioon, kuna see ei loo tugevat ja siduvat mõju. Teised füüsika põhilised interaktsioonitüübid hõlmavad elektromagnetismi ja gravitatsiooni. Arstid kasutavad magnetresonantstomograafia (MRI) seadmete loomiseks elektromagnetismis elektriliselt laetud osakeste vastastikmõjusid.
Füüsika teine rakendus tuumameditsiinis ilmneb siis, kui nukliidmaterjale kasutatakse meditsiiniliseks raviks. Näiteks kui radionukliidmaterjali kombineeritakse teatud tüüpi ravimitega, on selle koostoime tulemuseks radiofarmatseutilised ained. Neid ravimeetodeid kasutatakse kõige sagedamini teatud tüüpi haigusseisundite, näiteks vähi korral. Otsese energia kiirgusallikaid saab kasutada ka vähi kiiritusravis, mille käigus kiirguskiired suunatakse keha sihtpiirkondadesse, lootes, et need hävitavad kahjulikud ained.