ISTITUZIONI DI FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE

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1 DIPARTIMENTO DI FISICA ED ASTRONOMIA Corso di laurea in Fisica Anno accademico 2017/ anno ISTITUZIONI DI FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 9 CFU - Insegnamento annuale Docenti titolari dell'insegnamento FRANCESCA RIZZO - - FIS/04-6 CFU rizzo@lns.infn.it Edificio / Indirizzo: c/o Laboratori Nazionali del Sud- INFN, Via S.Sofia 64, Catania Telefono: Orario ricevimento: il lunedì dalle 9 alle 11 e il giovedì dalle 9 alle 11; si consiglia di contattare il docente in anticipo per verificare che impegni istituzionali o personali non lo costringano a spostare il ricevimento di uno giorno specifico. SEBASTIANO FRANCESCO ALBERGO - - FIS/01-3 CFU Sebastiano.Albergo@ct.infn.it Edificio / Indirizzo: DFA - via Santa Sofia, 64 Catania Telefono: Orario ricevimento: su appuntamento OBIETTIVI FORMATIVI Conoscenza dei concetti di base della Fisica Nucleare e Subnucleare: Modelli nucleari, Legge del decadimento radioattivo, Decadimenti alfa, beta e gamma. 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 PREREQUISITI RICHIESTI Conoscenza della Fisica Generale, Derivate, Integrali, Equazioni differenziali. Conoscenza della Fisica Generale, Derivate, Integrali, Equazioni differenziali.

2 FREQUENZA LEZIONI Obbligatoria obbligatoria CONTENUTI DEL CORSO Il Corso si articola in circa 13 settimane. Per ciascuna settimana si svolgono 4 ore di lezioni frontali 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

3 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 b 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) 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.

4 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 TESTI DI RIFERIMENTO ( in ordine alfabetico) H.A.Enge: Introduction to Nuclear Physics (Addison Wesley Pub.Co.) J.S.Lilley: Nuclear Physics- Principles and Applications (J.Wiley&Sons, Ltd) B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche: Particelle e nuclei. Un' introduzione ai concetti fisici (Bollati Boringhieri) W.S.C. Williams: Nuclear and Particle Physics, (Claredon Press, Oxford) 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 ALTRO MATERIALE DIDATTICO reperibile su Studium.unict.it reperibile su Studium.unict.it PROGRAMMAZIONE DEL CORSO Argomenti Riferimenti testi 1 *1. Il nucleo atomico 1 Cap 1; 2 Cap 1.3; 3 Cap *Decadimento radioattivo 1 Cap 8; 2 Cap 1.5; 3 Cap 3; 4 Cap *Decadimento 1 Cap 10; 2 Cap 3.4; 4 Cap * Modelli Nucleari 1 Cap 6, 2 Cap ; 4 Cap 8; 3 Cap *Momenti nucleari 1 Cap 5; 3 Cap 17.3; 4 Cap 4

5 6 *6. Decadimento beta 1 Cap 11; 2 Cap 3.3; 3 Cap 17.3; 4 Cap *7. Decadimento gamma 1 Cap 9; 2 Cap 3.2; 4 Cap *8. Collisioni nucleari 1 Cap 13; 2 Cap 1.6 Argomenti 1 fermioni, bosoni particelle e antiparticelle Riferimenti testi Particle Physics, B.R. Martin, G. Shaw, John Wiley and Son 2 Il Modello a Quark e la carica di colore Particle Physics, B.R. Martin, G. Shaw, John Wiley and Son 3 Le interazioni deboli D.H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, D.H. Addison-Wesley VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO MODALITÀ DI VERIFICA DELL'APPRENDIMENTO Esame orale esame orale PROVE IN ITINERE Non previste non previste PROVE DI FINE CORSO Non previste non previste ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI 1. Modello a Shell

6 2. Legge del decadimento radioattivo 3. Effetto Tunnel 4. Spettri β e end-point 5. Leggi di conservazione del momento angolare e parità nelle transizioni gamma 6. Misura della sezione d urto differenziale simmetria di parità massa invariante scoperta J/PSI modello a quark