Artikel blog ini mengkaji prinsip dan aplikasi yang mengantarkan fisika nuklir—studi tentang inti atom—ke teknologi medis modern seperti terapi radiasi dan pemindaian PET, melalui siklotron dan isotop radioaktif.
Mengapa fisika nuklir mengarah pada bidang kedokteran dan ilmu eksperimental?
Fisika nuklir adalah studi tentang inti atom. Namun, banyak orang cenderung menganggap fisika nuklir hanya sebagai bidang yang berkaitan dengan fenomena fisi nuklir yang terjadi di pembangkit listrik tenaga nuklir. Bertentangan dengan persepsi ini, berbagai produk sampingan yang dihasilkan selama penelitian fisika nuklir memungkinkan eksperimen yang sebelumnya tidak mungkin dilakukan di bidang kimia atau fisika lainnya, dan juga memiliki nilai praktis di bidang kedokteran.
Siklotron: Hanya Sebuah Akselerator Partikel Sederhana?
Sebagai contoh, pertimbangkan siklotron, sebuah akselerator yang dikembangkan untuk eksperimen fisika nuklir. Siklotron adalah akselerator partikel yang menginduksi partikel ke dalam gerakan melingkar. Secara struktural, ini adalah perangkat yang relatif sederhana yang terdiri dari dua ruang vakum berbentuk D yang terbuat dari pelat tembaga. Perangkat ini menggunakan tegangan arus bolak-balik frekuensi tinggi untuk mempercepat aliran partikel bermuatan.
Karakteristik struktural siklotron secara umum dapat dibagi menjadi dua fitur utama. Fitur pertama adalah, tidak seperti akselerator partikel linier konvensional, siklotron merupakan akselerator partikel melingkar dengan dua pelat setengah lingkaran berbentuk D yang terpisah. Karakteristik kedua adalah bahwa di dalam siklotron, arah frekuensi tegangan bolak-balik berubah setiap kali partikel melewati salah satu pelat setengah lingkaran. Untuk mempercepat aliran partikel, tegangan bolak-balik mengalir di antara dua elektroda logam setengah lingkaran di dalam ruang vakum. Pelat setengah lingkaran ini dipisahkan pada interval tetap untuk memastikan partikel, yang disuntikkan ke tengah ruang ini, memiliki ruang untuk bergerak bebas. Pelat setengah lingkaran diposisikan di antara kutub elektromagnet yang menghasilkan medan elektromagnetik tegak lurus terhadap pelat elektroda. Medan magnet yang dihasilkan menyebabkan lintasan partikel melengkung menjadi bentuk lingkaran karena gaya Lorentz yang bekerja tegak lurus terhadap arah geraknya. Lebih lanjut, setiap kali partikel melewati celah antara pelat setengah lingkaran, arah frekuensi medan listrik berubah. Perubahan ini memastikan medan listrik berorientasi dengan tepat untuk mempercepat kecepatan partikel. Akibatnya, partikel-partikel tersebut diarahkan untuk mengikuti orbit melingkar dengan jari-jari yang semakin besar di bawah pengaruh gaya listrik.
Partikel yang dipercepat dengan cara ini dapat dimanfaatkan dalam eksperimen setelah meninggalkan siklotron, seperti menumbukkannya dengan berbagai material atau menginduksi reaksi nuklir untuk mengamati pembentukan partikel baru. Namun, partikel yang dihasilkan dalam siklotron tidak hanya berfungsi untuk eksperimen sederhana tetapi juga memainkan peran penting di bidang medis. Dengan kata lain, berkas ion yang dikeluarkan dari siklotron dapat dimanfaatkan untuk pengobatan kanker, sejalan dengan prinsip inti teknologi medis yang dikenal sebagai terapi radiasi. Metode penyinaran lokasi tumor pasien dengan proton yang dipercepat hingga sekitar 60 persen kecepatan cahaya dalam siklotron untuk menghancurkan DNA sel kanker menawarkan keuntungan meminimalkan dampak pada jaringan sehat selama perjalanannya melalui tubuh, dibandingkan dengan terapi radiasi konvensional. Selain itu, proses pengobatan relatif cepat dan menyebabkan ketidaknyamanan yang lebih sedikit pada pasien, yang merupakan karakteristik penting lainnya. Dengan demikian, penerapan fisika nuklir menunjukkan bahwa ia tidak terbatas pada bidang pembangkitan listrik yang terbatas tetapi dapat meluas ke berbagai bidang.
Fisika Nuklir dalam Teknologi Medis
Isotop radioaktif, yang umumnya ditangani dalam eksperimen fisika nuklir, juga aktif digunakan dalam teknologi medis. Perangkat medis inovatif telah dikembangkan yang memanfaatkan isotop radioaktif untuk mendapatkan informasi yang lebih detail tentang cara kerja internal tubuh manusia. Di luar pencitraan sinar-X konvensional, tomografi terkomputasi (CT), dan pencitraan resonansi magnetik (MRI), teknologi yang disebut tomografi emisi positron (PET) telah muncul yang dapat memvisualisasikan aktivitas fungsional otak itu sendiri. PET adalah perangkat yang menggunakan zat yang diberi label dengan isotop radioaktif untuk mendapatkan gambar berbagai wilayah otak. Prinsip di balik pengumpulan gambar PET memanfaatkan fenomena fisiologis bahwa metabolisme glukosa meningkat di wilayah otak yang aktif, yang menyebabkan peningkatan aliran darah yang sesuai. Dalam proses ini, molekul air yang mengandung isotop dengan waktu paruh yang sangat singkat, sekitar dua menit, digunakan untuk mengukur perubahan aliran darah. Pemeriksaan membandingkan respons otak dalam keadaan tanpa stimulasi spesifik dengan keadaan aktivasinya ketika stimulasi diterapkan, yang dilakukan menggunakan metode pencitraan tomografi. Contoh-contoh tersebut jelas menunjukkan bagaimana fisika nuklir dapat secara positif memengaruhi kemajuan bidang akademik lainnya.
Penerapan Fisika Nuklir
Baik teknologi pembangkit listrik menggunakan reaksi fisi nuklir maupun aplikasi medis akselerator partikel yang disebut siklotron adalah hasil penerapan prinsip-prinsip ilmiah yang ditemukan selama eksplorasi inti atom. Dalam pengertian ini, fisika nuklir bukan hanya disiplin ilmu yang berfokus pada penjelasan sifat-sifat partikel; ini adalah bidang yang mendorong kemajuan disiplin ilmu akademik lainnya berdasarkan pengetahuan yang terakumulasi selama penelitiannya. Kesimpulannya, fisika nuklir dapat diringkas sebagai disiplin ilmu serbaguna yang tidak hanya mengeksplorasi inti atom tetapi juga berkontribusi pada kemajuan sains dan teknologi secara keseluruhan dengan menerapkan prinsip-prinsip yang terungkap dalam proses tersebut ke berbagai bidang.
