ISTITUZIONI DI FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
Modulo MODULO 1

Anno accademico 2022/2023 - Docente: Francesca RIZZO

Risultati di apprendimento attesi

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

Al termine del corso gli studenti  avranno sviluppato una capacità di ragionamento induttivo e deduttivo. Avranno acquisito le principali nozioni che stanno alla base della sperimentazione e fenomenologia che hanno portato alla descrizione dei nuclei e delle loro interazioni a livello fondamentale. Conosceranno le leggi e le proprietà dei decadimenti radioattivi, la struttura dei nuclei e conosceranno i principi che stanno alla base dei modelli che descrivono l'organizzazione dei nucleoni.

Capacità di applicare conoscenza:

Con le nozioni acquisite gli studenti saranno in grado di arricchire e approfondire la conoscenza degli argomenti trattati  in insegnamenti più avanzati del loro percorso di studio.

Autonomia di giudizio:

Acquisizione della capacità di ragionamento critico

Abilità comunicative

 Buone competenze degli strumenti per la gestione dell'informazione scientifica 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.

Modalità di svolgimento dell'insegnamento

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.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel Syllabus.

Prerequisiti richiesti

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

Frequenza lezioni

La frequenza al corso è di norma obbligatoria (consultare il Regolamento Didattico del Corso di Studi)

Contenuti del corso

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 lIC. 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)

Testi di riferimento

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)

Programmazione del corso

 ArgomentiRiferimenti testi
11. Il nucleo atomico (4 hours)1 Cap 1; 2 Cap 1.3; 3 Cap 2.3
22. Decadimento radioattivo (4 hours)1 Cap 8; 2 Cap 1.5; 3 Cap 3; 4 Cap 2
33. Decadimento alfa (4 hours)1 Cap 10; 2 Cap 3.4; 4 Cap 6
44.Modelli Nucleari (8 hours)1 Cap 6, 2 Cap 2.3 2.4 2.5; 4 Cap 8; 3 Cap 17.3
55.Momenti nucleari (8 hours)1 Cap 5; 3 Cap 17.3; 4 Cap 4
66. Decadimento beta (4 hours)1 Cap 11; 2 Cap 3.3; 3 Cap 17.3; 4 Cap 12.5-12.7
77. Decadimento gamma (8 hours)1 Cap 9; 2 Cap 3.2; 4 Cap 11.6-11.9
88. Collisioni nucleari (4 hours)1 Cap 13; 2 Cap 1.6

VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO

Modalità di verifica dell'apprendimento

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

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

N.B.: L'esame relativo all'insegnamento di Istituzioni di Fisica Nucleare e Subnucleare (Mod.1 + Mod.2;  6+3 CFU) è unico per i 2 Moduli e avviene contemporaneamente alla presenza dei 2 Docenti. Anche il voto, relativo a 9 CFU, è unico.

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

Esempi di domande e/o esercizi frequenti

Le domande di seguito riportate non costituiscono un elenco esaustivo ma rappresentano solo alcuni esempi:

Principali modelli per il nucleo atomico. 

Energetica del decadimento alfa, beta e fissione spontanea.

Momenti elettrici e magnetici del nucleone e del nucleo.

Decadimento alfa.

Decadimento beta.

Decadimento gamma.

Reazioni nucleari: esoenergetiche e endoenergetiche.

Cinematica delle reazioni nucleari