Elementi di Fisica Nucleare e Subnucleare

Università degli Studi di Napoli “Federico II” – Area Didattica di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Corso di Laurea in Fisica
Classe L-30 “Fisica” del DM 270/04
Programmi degli insegnamenti dell’A.A. 2013/2014
Elementi di Fisica Nucleare e Subnucleare
Prof. Leonardo Merola (gruppo 2)
III anno, 2° semestre; 8 CFU/64 ore (LF = 8 CFU/64 ore)
[1 CFU di lezione frontale (LF) o esercitazioni (ES) = 8 ore (+ 17 di studio);
1 CFU di attività in laboratorio (LAB) = 12 ore (+ 13 di studio).]
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Codice del Corso di Laurea: N85
Codice dell’insegnamento: 26211
Il nucleo atomico e la radioattività
Il nucleo: protoni e neutroni. Esperimento di Chadwick. Radioattività naturale. Legge del decadimento
radioattivo. Tipi di decadimento.
Collisioni
Conservazione dell’energia e dell’impulso. Applicazioni. Concetto di sezione d’urto. Urti elastici.
Sezione d’urto Rutherford. Urti anelastici: reazioni nucleari, nuclidi artificiali, produzione di pioni e
muoni. Descrizione quantistica dell’urto tra particelle; diffusione elastica da potenziale; caso del
potenziale di Yukawa.
Metodi sperimentali
Acceleratori. Fasci di particelle. Passaggio di particelle cariche e fotoni attraverso la materia. Rivelatori.
Dimensioni e masse dei nuclei
Diffusione elastica elettrone-nucleo: distribuzione della carica nucleare. Distribuzione della materia
nucleare. Massa ed energia di legame. Saturazione della forza nucleare. Formula semiempirica delle
masse. Parabola delle masse.
Proprietà dei nuclei nello stato fondamentale
La buca di potenziale nucleare. Il nucleo come gas di Fermi. Modello a shell a particella singola.
Potenziale spin-orbita. Spin e parità degli stati fondamentali nucleari. Momento di dipolo magnetico e
momento di quadrupolo elettrico. Limiti del modello a shell.
Decadimento alfa e fissione spontanea.
Fenomenologia del decadimento alfa. Teoria del decadimento alfa. Fissione spontanea.
Decadimento beta
Ipotesi e scoperta del neutrino. Teoria di Fermi del decadimento beta. Determinazione di G. Transizioni
tipo Fermi e tipo Gamov-Teller. Massa del neutrino.
Stati eccitati dei nuclei e decadimento gamma
Stati eccitati nucleari. Decadimento . Conversione interna.
Reazioni nucleari
Generalità. Risonanze. Reazioni di nucleo composto e reazioni dirette. Allargamento doppler dei picchi
risonanti. Reazioni indotte da neutroni di bassa energia. La barriera coulombiana nelle reazioni nucleari.
Fissione indotta e reattori. Fusione nucleare.
La forza nucleare
Il deutone. Scattering nucleone-nucleone a bassa energia. Proprietà della forza nucleare. Isospin.
Particelle. Concetti introduttivi
Il quadro presente. Particelle e antiparticelle: cenni alle equazioni d’onda relativistiche, stati ad energia
negativa e loro interpretazione. Interazioni elettromagnetiche e grafici di Feynman (cenni). Interazioni
deboli. Forze a corto raggio: scambio di particelle massive. Interazioni deboli e unificazione
elettrodebole. Interazioni forti. Forza nucleare forte: scambio di mesoni. Interazioni forti tra quark e
gluoni.
Simmetrie e leggi di conservazione
Parità. Parità di fermioni e antifermioni. Spin e parità del fotone. Coniugazione di carica. Inversione
temporale. Teorema CPT. Conservazione dei barioni. Conservazione dei leptoni. Neutrino elettronico e
neutrino muonico. Il leptone tau e il neutrino tauonico.
Adroni. Interazione forte
Barioni e mesoni: particelle strane, formazione di barioni nell’interazione pione-nucleone, produzione di
risonanze barioniche, formazione e produzione di risonanze barioniche strane, risonanze mesoniche,
adroni dall’annichilazione e+e-. Composizione in quark degli adroni: mesoni, barioni, spin e colore.
Quark e gluoni: l’interazione forte. Colore e QCD. Getti di adroni.
Interazioni deboli
Interazioni deboli dei leptoni e dei quark. I bosoni vettoriali intermedi. Interazioni deboli di corrente
carica. Interazioni deboli di corrente neutra. Violazione della parità: il problema , la violazione di P
nel decadimento beta, esperimento di Wu et al.. Elicità dei leptoni. Violazione di C. Il sistema dei K0 e la
violazione di CP.
Modello Standard e fisica oltre il MS
Modello standard. Il bosone di Higgs. Fisica oltre il modello standard. Limiti del modello standard.
Grande unificazione. Supersimmetria. Massa dei neutrini.
Testi consigliati
M. Napolitano: Appunti del corso
K.S. Krane, Introductory Nuclear Physics, John Wiley and Sons
J. Lilley, Nuclear Physics – Principles and Applications, John Wiley and Sons
B. R. Martin e G. Shaw, Particle Physics, John Wiley and Sons
A. Bettini, Introduction to Elementary Particle Physics, Cambridge University Press