Programma del Corso di Fisica Nucleare e Subnucleare C.d.L. in Fisica - Anno Accademico 2007/08
Prof. Andrea Bizzeti
E richiesta la conoscenza degli argomenti di base indicati nel programma. Gli appro-` fondimenti (evidenziati in corsivo) non sono indispensabili al superamento dell’esame. Lo studente pu`o preparare un argomento a piacere da esporre nei primi 10 minuti dell’esame.
Richiami di relativit`a ristretta.
Postulati, evento, intervallo, quadrivettore tempo-posizione, trasformazioni di Lorentz, tempo proprio. Quadrivettore energia-quantit`a di moto, massa invariante.
Quadrivettori e quadritensori, tensore metrico e prodotto scalare. Equazioni di Maxwell in forma covariante, quadripotenziale e quadrivettore campo elettromagnetico, trasformazioni di Lorentz del campo elettromagnetico. Relazione forza-accelerazione in meccanica rela- tivistica.
Introduzione alla fisica nucleare
Cenni storici: scoperta della radioattivit`a, esperimento di Rutherford; primi modelli nu- cleari.
Costituenti del nucleo atomico. Nuclidi; isotopi, isobari, isotoni. Distribuzione dei nuclidi stabili nel diagramma N-Z.
Caratteristiche del nucleo atomico.
Forma del nucleo. Raggio nucleare e sua misura; diffusione di elettroni e fattore di forma.
Distribuzione della carica e della materia nucleare.
Altri metodi di misura del raggio nucleare attraverso l’interazione elettromagnetica ed at- traverso l’interazione nucleare.
Spettrometro di massa; misura della massa atomica col metodo dei doppietti di massa.
Massa ed energia di legame nucleare: energia di separazione neutronica e protonica; formula semiempirica della massa; parabola delle masse per gli isobari; valle di stabilit`a. Momento angolare, parit`a e momenti elettromagnetici dei nucleoni e dei nuclei. Stati eccitati nucleari.
L’interazione nucleone-nucleone.
Il deutone: energia di legame, spin, parit`a, momenti elettromagnetici; modello a buca di potenziale.
Elementi di teoria dello scattering; sviluppo in onde parziali; phase shift.
Diffusione elastica nucleone-nucleone. Propriet`a della forza nucleare.
Modelli nucleari.
Modello a goccia. Modello a gas di Fermi ed energia di Fermi. Numeri magici e modello a shell sferico; stati fondamentali e stati eccitati di particella singola.
Momenti elettromagnetici e modello a shell; linee di Schmidt. Misura della densit`a di probabilit`a della funzione d’onda del protone 3S1/2 nel 208Pb.
Eccitazioni collettive vibrazionali e rotazionali; nuclei deformati.
Il decadimento radioattivo.
Legge di Soddy; attivit`a, costante di decadimento, vita media e tempo di dimezzamento;
attivit`a specifica. Produzione e decadimento di nuclei radioattivi. Diramazioni, catene di decadimenti, equilibrio secolare. Radioattivit`a naturale e serie radioattive.
Misura della costante di decadimento. Radiodatazione.
Elementi di dosimetria e radioprotezione. Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti.
Grandezze fisiche di interesse dosimetrico.
Il decadimento alfa.
Cinematica del decadimento. Nuclei α-instabili. Tempo di dimezzamento e Q-valore.
Teoria di Gamow, Gurney e Condon del decadimento α.
Calcolo del fattore di Gamow. Decadimenti con emissione di nuclei pi`u pesanti (14C).
La fissione nucleare.
Fissione nucleare spontanea ed indotta. Energia di attivazione. Condizioni per la fissione immediata a seguito dell’assorbimento di neutroni.
Caratteristiche dei frammenti di fissione e dei loro prodotti di decadimento. Neutroni ritardati. Principi di funzionamento di un reattore termonucleare a fissione. Moderazione dei neutroni. Il reattore naturale di Oklo.
Il decadimento beta.
Tipi di decadimento beta. Cinematica: Q-valore, forma dello spettro. Il neutrino. Teoria di Fermi del decadimento beta. Plot di Fermi-Kurie.
Neutrini ed antineutrini. Esperimento di Cowan e Reines; esperimento di Davis. Esperi- menti per la misura della massa del neutrino.
Transizioni di Fermi e di Gamow-Teller; log(ft); decadimenti beta “permessi” e “proibiti”.
Violazione della parit`a nel decadimento beta; elicit`a del neutrino.
Esperimento di Wu et al., esperimento di Goldhaber et al.. Limiti sperimentali sulla massa del neutrino. Il decadimento doppio-beta.
Il decadimento gamma.
Q-valore, energia del gamma, energia di rinculo del nucleo. Multipolarit`a e regole di selezione. Conversione interna.
Stime di Weisskopf della costante di decadimento. Catene di decadimento γ di stati eccitati rotazionali.
Emissione e assorbimento gamma; larghezza naturale; allargamento Doppler.
Fluorescenza di risonanza; effetto M¨ossbauer e sue applicazioni.
Reazioni nucleari.
Grandezze fisiche misurabili. Caratteristiche dei fasci. Sezioni d’urto. Quantit`a conservate nelle reazioni nucleari. Q-valore. Produzione di stati nucleari eccitati. Isospin. Stati analoghi negli isobari e multipletti di isospin.
Diffusione nucleare e modello ottico.
Reazioni dirette e reazioni a nucleo composto. Risonanze; formula di Breit-Wigner.
Interferenza risonanza-continuo. Esempi di risonanze.
La fusione nucleare. Q-valore. Barriera coulombiana e fattore di Gamow.
Fusione termonucleare. Reazioni di fusione nel Sole. Nucleosintesi stellare del 12C e degli elementi successivi fino a Z=30.
Fisica dei neutroni.
Sorgenti, moderazione e rivelazione dei neutroni. Classificazione in base all’energia.
Utilizzo dei neutroni termici: selezione in velocit`a; riflessione di Bragg; monocromatore.
Interferometria neutronica (esperimenti sul campo gravitazionale e sulla precessione).
Testo consigliato:
- K.S. Krane, Introductory Nuclear Physics, Wiley 1986 Modena, 30/04/2008
