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. Elio Rosato
III anno, 1° 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).]
E-mail del docente:
Tel. del docente:
Sito web del docente:
[email protected]
081676444
http://www.docenti.unina.it/elio.rosato
Codice del Corso di Laurea: N85
Codice dell’insegnamento: 26211
1 - Introduzione storica
Dalla Scuola Ionica alle basi chimiche del concetto di atomo. La scoperta della radioattività; tipi e natura
delle radiazioni. La scoperta dell’elettrone. Primi modelli atomici. Esperimenti di Geiger e Marsden.
Modello atomico di Rutherford, Bohr-Rutherford re Bohr-Sommerfeld. Attenuazione dei raggi x e
concetto di numero atomico. Legge di Moseley e determinazione della carica nucleare. Legge degli
spostamenti.
Diffusione da un potenziale centrale. Definizione della sezione d'urto. Sezione d'urto di Rutherford.
2 - Proprietà del nucleo atomico
Raggio nucleare R. Illustrazione dei vari metodi per la misura del raggio nucleare e discussione delle
stime sperimentali di R.
Massa Atomica. Elementi stabili e parabole di Thomson.
Massa del nucleo e numero di massa. Misura della massa dei nuclei. Scoperta del neutrone e costituenti
del nucleo. Isotopi, isobari, isotoni. Energia di legame e difetto di massa. Energia di separazione Sp, Sn.
Formula semiempirica delle masse ed energia di legame per nucleone. Parabole delle masse. Diagramma
di Segrè. Stabilità e decadimenti. Modello a gas di Fermi. Numeri quantici. Momento angolare, parità e
statistiche quantistiche. Momento di dipolo magnetico. Diagrammi di Schmidt. Momento di quadrupolo
elettrico.
3 - Decadimento radioattivo
Legge del decadimento radioattivo. Probabilità di decadimento, vita media e periodo di dimezzamento.
Decadimenti in serie ed equazioni di Bateman.
4 - Decadimento alfa
Energetica del decadimento alfa. Serie radioattive. Diagramma di Geiger-Nuttal. Teoria del decadimento
alfa. Fattore di Gamow. Momento angolare e parità nel decadimento alfa.
5 - Decadimento beta.
Fenomenologia del decadimento beta e leggi di conservazione. Ipotesi di Pauli del neutrino. Teoria di
Fermi. Fermi-Kurie plot e massa del neutrino. Prodotto ft. Transizioni di Fermi, Gamow-Teller e regole di
selezione. Transizioni permesse e proibite. La scoperta del neutrino. Violazione della parità nel
decadimento beta. Doppio decadimento beta e natura del neutrino.
6 - Decadimento gamma.
Fenomenologia ed energetica del decadimento gamma. Effetto Mossbauer. Teoria classica della
radiazione e sviluppo in multipoli. Teoria quantistica in approssimazione dipolare e radiazione di
multipolo. Approssimazione di particella singola e stime di Weisskopf. Conversione interna. Creazione di
coppie. Transizioni di monopolo. Isomerismo.
7 - Forza nucleare.
Interazione N-N, leggi di conservazione e simmetrie. Isospin. Deutone: energia di legame, spin e parità,
momento di dipolo magnetico e di quadrupolo elettrico. Forze tensoriali.
Diffusione N-N e sezione d’urto. Diffusione n-p: lunghezza di diffusione e raggio efficace. Interazione di
singoletto e tripletto. Caso dell’orto- e para-idrogeno. Diffusione pp e nn. Forze di scambio.
8 - Modelli nucleari
Utilità dei modelli nucleari e loro requisiti. Modelli a particelle indipendenti. Modello a strati e numeri
magici. Livelli e numeri di occupazione. Nucleoni di valenza. Modelli collettivi. Evidenze sperimentali.
Modello vibrazionale. Struttura dei livelli. Momenti di dipolo magnetico e quadrupolo elettrico.
Transizioni elettromagnetiche. Modello rotazionale. Bande.
9 - Reazioni nucleari
Notazioni, nomenclatura e classificazione. Leggi di conservazione. Energetica e cinematica di una
reazione nucleare. Reazioni di fusione a bassa energia: barriera coulombiana, nucleo composto e
risonanze. Risonanza gigante. Fissione spontanea e indotta. Barriera di fissione. Distribuzione in massa ed
energia dei prodotti di fissione. Neutroni pronti e ritardati. Reazioni indotte da neutroni. Effetti di
struttura. Reazioni dirette. Reazioni indotte da ioni pesanti: fusione incompleta, collisioni profondamente
dissipative, emissione di pre-equilibrio. Regimi energetici. Multiframmentazione e transizione di fase.
Astrofisica nucleare e nucleosintesi stellare. Combustione dell’idrogeno: catena p-p e ciclo CNO. Sintesi
degli elementi. Applicazioni della fisica nucleare.
PARTE II – FISICA DELLE PARTICELLE
10 - Introduzione storica alla fisica delle particelle
I costituenti dell’atomo. Il fotone. I raggi cosmici e il mesone di Yukawa. Equazione di Klein-Gordon e di
Dirac. Particelle ed antiparticelle. Stranezza e numero barionico. Il modello a quark. Nuove particelle e
nuovi quark. Neutrini ed antineutrini. La famiglia dei leptoni. Il modello standard. I mesoni vettoriali
intermedi. Il bosone di Higgs. La massa e le oscillazioni del neutrino.
11 – Simmetrie e leggi di conservazione.
Fermioni e bosoni. Leggi di conservazione e simmetrie. Coniugazione di carica. Inversione temporale.
Teorema CPT. Conservazione del numero barionico e leptonico. Interazioni fondamentali.
12 - Interazione em
QED e diagrammi di Feynman.
13 - Adroni. Interazione forte
Barioni e mesoni. Struttura a quark degli adroni. Quark e gluoni: interazione forte e QCD. Scambio di
gluoni e costante do accoppiamento. Il confinamento dei quark. Deconfinamento e plasma di quark e
gluoni.
14 - Interazioni deboli
Interazioni dei leptoni e dei quark. I bosoni vettoriali intermedi come mediatori dell’interazione debole.
Mescolamento dei quark e matrice CKM. Unificazione e teoria elettrodebole.
15 - Oltre il modello standard
Asimmetria materia–antimateria. Materia ed energia oscura. Teorie di grande unificazione (GUT) e
supersimmetria (SUSY).
Testi consigliati:
Appunti dalle lezioni
R.D.Evans, The Atomic Nucleus, Krieger Publishing Company, 1982 (ristampa dell’edizione 1955)
I.Kaplan, Nuclear Physics , Addison-Wesley, 1969
E.Segrè, Nuclei e Particelle, Zanichelli, 1982
K.S.Krane: Introductory Nuclear Physics. Wiley 1988
S.S.M.Wong, Introductory Nuclear Physics, Wiley, 2004
K.Heyde, Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics, Institute of Physics Publishing, 2004
C.A.Bertulani, Nuclear Physics in a Nutshell, Princeton University Press, 2007
D.H.Perkins, Introduction to High Energy Physics, Cambridge University Press, 2000
J.D.Walecka, Theoretical Nuclear and Subnuclear Physics, World Scientific 2004
B.R.Martin: Nuclear and Particle Physics. Wiley 2009
D.Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Wiley, 2011
Note:
Letture utili e poco impegnative (prive di formalismo)
F.Close: PARTICLE PHYSICS - A very short introduction, Oxford University Press 2012
B.R.Martin: Particle Physics, Oneworld Publications 2011
F.Close: Neutrino, Oxford University press, 2012