ISTITUZIONI DI FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

Obiettivi formativi

• MODULO 1

  Obbiettivi formativi specifici del corso

  Lo studente apprenderà le nozioni di base relative ai decadimenti radioattivi, alla struttura nucleare, alle interazioni nucleari e alle collisioni nucleari. Le problematiche sono introdotte descrivendo la fenomenologia, l'approccio utilizzato nelle misure; viene inoltre data una descrizione qualitativa e, ove possibile, quantitativa dei fenomeni nucleari descritti . Nell'apprendere i principali modelli teorici con cui si studia la struttura nucleare, lo studente utilizzerà inoltre molti concetti provenienti da corsi antecedenti o che si svolgono in parallelo al corso in oggetto.

  In riferimento ai Descrittori di Dublino, questo corso contribuisce ad acquisire le seguenti competenze trasversali:

  Conoscenza e capacità di comprensione

  • Capacità di ragionamento induttivo e deduttivo.
  • Capacità di schematizzare un fenomeno naturale in termini di grandezze fisiche scalari e vettoriali.
  • Capacità di impostare un problema utilizzando opportune relazioni fra grandezze fisiche (di tipo algebrico, integrale o differenziale) e di risolverlo con metodi analitici o numerici.
  • Capacità di montare e mettere a punto semplici configurazioni sperimentali, e di utilizzare strumentazione scientifica per misure termomeccaniche ed elettromagnetiche.
  • Capacità di effettuare l'analisi statistica dei dati.

  Capacità di applicare conoscenza:

  • Capacità di applicare le conoscenze acquisite per la descrizione dei fenomeni fisici utilizzando con rigore il metodo scientifico.
  • Capacità di progettare semplici esperimenti ed effettuare l'analisi dei dati sperimentali ottenuti in tutte le aree di interesse della fisica, incluse quelle con implicazioni tecnologiche.

  Autonomia di giudizio:

  • Capacità di ragionamento critico.
  • Capacità di individuare i metodi più appropriati per analizzare criticamente, interpretare ed elaborare i dati sperimentali.
  • Capacità di individuare le previsioni di una teoria o di un modello.
  • Capacità di valutare l'accuratezza delle misure, la linearità delle risposte strumentali, la sensibilità e selettività delle tecniche utilizzate.

  Abilità comunicative:

  • Buone competenze degli strumenti per la gestione dell'informazione scientifica e per l'elaborazione dei dati e le ricerche bibliografiche.
  • Capacità di esporre oralmente, con proprietà di linguaggio e rigore terminologico, un argomento scientifico, illustrandone motivazioni e risultati.

  Capacità di apprendimento

  • Capacità di saper aggiornare le proprie conoscenze attraverso la lettura di pubblicazioni scientifiche, in lingua italiana o inglese, nei vari campi delle discipline fisiche, anche non specificamente studiati durante il proprio percorso formativo.
• MODULO 2

  Il corso si propone di presentare agli studenti i fondamenti concettuali e fenomenologici della fisica subnucleare, ponendo particolare attenzione al punto di vista sperimentale. Vengono anche presentati in dettaglio alcuni degli esperimenti che hanno portato a scoperte fondamentali nel campo

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

• MODULO 1

  Il Corso prevede 6 CFU di cui 5 CFU( 35 ore) di didattica frontale e 1 CFU (15 ore) di esercitazioni.

  Durante il periodo di lezione viene effettuata una visita guidata presso i Laboratori Nazionali del Sud-INFN Catania, durante la quale vengono illustrate le attività svolte dai ricercatori nell’ambito della Fisica Nucleare, anche in connessione con ricerche in collaborazione con Università ed Enti di Ricerca italiani ed esteri.

• MODULO 2

  Il Corso si articola in circa 6 settimane. Per ciascuna settimana si svolgono 4 ore di lezioni frontali.

Prerequisiti richiesti

• MODULO 1

  Conoscenze indispensabili: Fisica Generale, Derivate, Integrali, Equazioni differenziali.

• MODULO 2

  Conoscenza della Fisica Generale, Derivate, Integrali, Equazioni differenziali.

Frequenza lezioni

• MODULO 1

  La frequenza è obbligatoria.

• MODULO 2

  obbligatoria

Contenuti del corso

• MODULO 1

  Il Corso si articola in circa 13 settimane. Per ciascuna settimana si svolgono 2 lezioni di 2 ore ciascuno.

  Il nucleo atomico
  Costituzione del nucleo. Massa. Forma. Dimensione. Difetto di massa ed energia di legame. Formula semiempirica delle masse (Weisszacher). Considerazioni generali sulla instabilità nucleare. Instabilità nucleare rispetto all’emissione alfa, beta e fissione spontanea. Nuclei alfa-emettitori naturali. (1 settimana)

  Decadimento radioattivo
  Legge del decadimento radioattivo. Costante di decadimento l, tempo di dimezzamento T1/2, vita media t. Attività di una sorgente radioattiva. Decadimenti multimodali. Decadimenti successivi. Le 4 famiglie radioattive naturali. Produzione di radionuclidi artificiali (Attivazione). Metodo di datazione con il 14C. (2 settimana)

  Decadimento alfa
  Generalità. Spettro energetico delle alfa. Trasmissione attraverso una barriera. Effetto Tunnel. Fattore di Gamow. Dipendenza di l e T1/2 dall’energia di emissione (Formula di Geiger-Nuttal). Barriera Coulombiana e centrifuga . Equazione di Schrödinger (in coordinate polari). Conservazione del momento angolare. (3 settimana)

  Modelli Nucleari
  Modello a goccia liquida. Modello a gas di Fermi. Introduzione al modello a particelle indipendenti Modello a shell. Livelli energetici. Potenziale di Wood-Saxon. Interazione di spin-orbita. Numeri Magici. Splitting dei livelli energetici. (4 settimana)
  Energia dei nucleoni nel nucleo. Livelli legati, livelli virtuali. Stati eccitati nel modello a shell del nucleo. Interazione residua. Proprietà del ground state dei nuclei: spin e parità. (5 settimana)

  Momenti nucleari
  Momento angolare orbitale e di spin. Momento di dipolo magnetico. Magnetone di Bohr. Magnetone nucleare. Momento magnetico del nucleone e del nucleo con A-pari. Linee di Schmidt. (6 settimana)
  Momenti di multipolo elettrico dei nuclei. Momento di quadrupolo elettrico e nuclei deformati. Cenni sul modello collettivo: bande rotazionali e vibrazionali. Cenni sul modello unificato: livelli di Nilsson. (7 settimana)

  Decadimento beta
  Il decadimento beta dal punto di vista energetico. Struttura degli spettri in energia: end-point e neutrino. Golden Rule n.2. Teoria elementare di Fermi: matrice di transizione Hif. Transizioni permesse di Fermi (F) e Gamow-Teller (G-T). Transizioni proibite. (8 settimana)
  Spettro beta: dipendenza dalla matrice di sovrapposizione e dal fattore statistico. Kurie-plot. Esempi di transizioni beta permesse, super-permesse. (9 settimana)

  Decadimento gamma
  Generalità. Energetica nel decadimento γ. Origine della transizione e classificazione in base alla multipolarità e tipo. Leggi di conservazione del momento angolare e della parità nelle transizioni. (10 settimana)
  Probabilità di transizione multipolari elettriche W(EL) e magnetiche W(ML) (stime teoriche di Weisskopf). Decadimento per conversione interna l_IC. Stati metastabili. (11 settimana)

  Collisioni nucleari
  Q-valore. Cinematica a 2 corpi: studio nel sistema di riferimento del laboratorio e nel C.M. Energia di soglia. Definizione di sezione d’urto. Sez. d’urto elastica, inelastica e di reazione. Sez. d’urto differenziale. Angolo solido. (12 settimana)
  Cenni sui meccanismi di reazione dirette e di nucleo composto. Risonanze nella sezione d’urto di N.C. Formula di Breit-Wigner. Misura della sezione d’urto differenziale sperimentale. (13 settimana)

• MODULO 2

  MODULO 2

  Il corso si articola in undici lezioni frontali da due ore ciascuna

  • Richiami e Generalità
    • Il concetto di particella e i suoi numeri quantici
    • Fermioni e bosoni. Particelle e antiparticelle
    • Le forze di Yukawa
    • Elementi di cinematica relativistica
    • Le unità di misura naturali

  • Il Modello a Quark e la carica di colore
    • Mesoni e Barioni.
    • Classificazione in multipletti
    • Numeri quantici adronici: Barionico, Isospin, Stranezza, Charm, Bottom, Top
    • Il colore;
    • Libertà asintotica e confinamento.
    • Getti di adroni
    • Polarizzazione del vuoto.
    • Esperimenti di scoperta della particella J/PSI
    • Charmonio e Bottomio.
    • Deep Inelastic Scattering e-e ed e-p, Fattori di Forma, Funzione di Struttura

  • Le interazioni deboli

  • Richiami del decadimento beta
  • Decadimento del pione, del muone, del Kaone.
  • Violazione della parità nei decadimenti deboli.
  • L’unificazione elettrodebole di Glashow, Salam e Weinberg
  • La scoperta delle correnti neutre: l’esperimento Gargamelle
  • La scoperta dei bosoni vettori W e Z: gli esperimenti UA1 e UA2

Testi di riferimento

• MODULO 1

  TESTI DI RIFERIMENTO ( in ordine alfabetico)

  1. H.A.Enge: Introduction to Nuclear Physics (Addison Wesley Pub.Co.)
  2. J.S.Lilley: Nuclear Physics- Principles and Applications (J.Wiley&Sons, Ltd)
  3. B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche: Particelle e nuclei. Un' introduzione ai concetti fisici (Bollati Boringhieri)
  4. W .S.C. Williams: Nuclear and Particle Physics, (Claredon Press, Oxford)
• MODULO 2
  1. Particle Physics, B.R. Martin, G. Shaw, John Wiley and Son
  2. D.H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, D.H. Addison-Wesley

Programmazione del corso

Verifica dell'apprendimento

Modalità di verifica dell'apprendimento

• MODULO 1

  L'esame consiste in una discussione orale che verte sugli argomenti trattati nel corso.

  E' possibile consultare il calendario degli esami sul sito del corso di Laurea L30-Fisica.

• MODULO 2

  esame orale

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

• MODULO 1

  Tutti gli argomenti trattati durante il corso saranno oggetto d’esame

• MODULO 2

  simmetria di parità

  massa invariante

  scoperta J/PSI

  modello a quark