Obiettivi Formativi

Mod. Fisica Nucleare: Fornire conoscenze su: nucleo atomico e sue dimensioni – energie di legame e modelli nucleari – interazioni fondamentali – trasmutazioni nucleari – reazioni nucleari indotte da particelle e da ioni leggeri – quark e leptoni – modello statistico delle reazioni nucleari – reazioni nucleari indotte da ioni pesanti. Mod. Laboratorio: Fornire conoscenze su:esperimenti con sorgenti e rivelatori di particelle nucleari

Learning Goals

Mod. Nuclear Physics: To provide knowledge on: the atomic nucleus and its size - binding energies, and nuclear models - the fundamental interactions - nuclear transmutations - nuclear reactions induced by light ions and particles - quarks and leptons - statistical model of nuclear reactions - nuclear reactions induced by heavy ions. Mod. Laboratory: To provide knowledge of: experiments with sources and detectors of nuclear particles

Metodi didattici

Lezioni frontali. Esercitazioni in laboratorio.

Teaching Methods

Lectures. Laboratory experiments.

Prerequisiti

Fondamenti di Meccanica Quantistica

Prerequisites

Quantum Mechanics Fundamentals

Verifiche dell'apprendimento

Colloquio orale

Assessment

Oral exam

Programma del Corso

Mod. Fisica Nucleare: La Fisica dei sistemi subatomici. Scala delle grandezze in fisica nucleare. La scoperta dei nuclei atomici, l’esperimento di Rutherford. Dimensione dei nuclei atomici, fattori di forma. Composizione dei nuclei, linea di stabilità, energia di legame e formula di Weizsacher. Nuclei instabili e decadimenti. Forma dei nuclei. Spin nucleare. Decadimenti Radioattivi. Classificazione dei modelli dei nuclei atomici e gradi di libertà. Modelli collettivi: goccia liquida, oscillazioni e vibrazioni. Modelli a particella singola: modello a shell e numeri magici. Spin Isotopico. Reazioni nucleari:sistema del Laboratorio e del Centro di Massa, yield, sezione d’urto, funzione di eccitazione, distribuzioni angolari. Legge di conservazione dell’energia: Qvalore, energia di soglia. Legge di conservazione del momento angolare: parametro d’impatto, angolo di grazing. Scattering elastico, sezione d’urto di Rutherford, scattering anelastico. Reaz. di Nucleo composto, reazioni di risonanza, formula di Breit-Wigner, reazioni di non risonanza, fluttuazioni, spettri continui. Modello a evaporazione. Modello Ottico Reazioni dirette. Fisica Subnucleare ed Interazioni Fondamentali Natura delle forze fra nucleoni. Il sistema a due corpi. Scattering nucleonenucleone, risonanze e creazione di nuove particelle. Il mesoni e la teoria di Yukawa. Equazione di Klein-Gordon. Range d’interazione e massa della particella propagatrice. Diagrammi di Feynman. Teoria di Dirac dell’antimateria. L’interazione debole Il neutrino: massa, elicità ed oscillazioni. Parità. Violazione della parità nel decadimento β. coniugazione di carica e sua violazione nelle interazioni deboli. Inversione temporale. Il teorema CPT. Interazioni in corrente carica e neutra. Modello Standard. Le quattro interazioni ed i bosoni di Gauge. Hadroni e Leptoni. Cenni di astrofisica nucleare. Il Big-Bang e l’universo in espansione. Evoluzione stellare. Mod. Laboratorio: Il vuoto Tipi di vuoto. Pompe rotative a pistone e a palette. Pompe diffusive e turbo molecolari. Pompe ioniche e a sublimazione di titanio. Vacuometri a termocoppia, Pirani, a catodo caldo e a catodo freddo. Radioattività Decadimento α, β e γ. Spettro discreto delle particelle α. Spettro continuo dell’emissione β. Antineutrino. Legge del decadimento radioattivo. Costante di decadimento. Vita Media. Tempo di Dimezzamento. Attività. Famiglie radioattive. Equilibrio radioattivo. Fonti naturali ed artificiali di rischio da radioattività Datazione al 14C, Tecnica dei traccianti. Radiazioni direttamente ionizzanti. Ioni pesanti nella materia. Stopping power, straggling, picco di Bragg, range. Elettroni nella materia. Fotoni nella materia. Effetto bremsstrahlung. Effetto Rayleigh. Effetto fotoelettrico. Effetto Compton. Produzione di Coppie. Coefficiente di attenuazione lineare. Rivelatori a gas.Rivelatori a semiconduttore. Scintillatori.Fotomoltiplicatori. Risoluzione Energetica. Efficienza. Cenni di dosimetria delle radiazioni Grandezze radiometriche e dosimetriche. Il problema della misura della dose: teoria della cavità di Bragg-Gray. Dosimetri chimici, dosimetri a termoluminescenza, pellicole radio cromiche. Esperienze di laboratorio - Creazione di una catena di conteggio per particelle α con rivelatore a Silicio. - Calibrazione del multicanale con il pulser. - Determinazione dell’energia di una sorgente α incognita - Determinazione dell’attività assoluta di una sorgente α - Determinazione del range delle particelle α in aria - Uso dello scintillatore NaI(Tl) per rivelazione di fotoni

Course Syllabus

Mod. Nuclear Physics: The physics of subatomic systems. Quantities scale in nuclear physics. The discovery of the atomic nucleus, Rutherford's experiment. Size of atomic nuclei, form factors. Composition of nuclei, the line of stability, binding energy and formula Weizsacher. Unstable nuclei and decays. Shapes of nuclei. Nuclear spin. Radioactive decay. Decay and spectroscopy. Classification of models of atomic nuclei and degrees of freedom. Collective models: liquid drops, oscillations and vibrations. Single particle models: model shells and magic numbers. Isotopic spin. Nuclear reactions: center of mass system, yield, cross section, excitation function, angular distributions. Conservation of energy: threshold energy. Conservation of angular momentum: impact parameter, grazing angle. Elastic scattering, Rutherford cross section, inelastic scattering. Nuclear reactions: mechanisms. Compound nucleus, resonance reactions, Breit-Wigner formula, no resonance reactions, fluctuations, continuous spectra. Evaporation model. Optical Model. Direct reactions: stripping, pick-up and sequential transfers. Subnuclear Physics and Fundamental Interactions Nature of forces between nucleons. The two-body system. Nucleon-nucleon scattering, creation of new particles and resonances. Mesons and Yukawa theory. Klein-Gordon equation. Range of interaction and mass of particle propagator. Feynman diagrams. Dirac theory of antimatter. The neutrino: mass, helicity and fluctuations. Equality. Violation of equality in  decay. Charge conjugation, and its violation in the weak interactions. Time inversion. The CPT theorem. Interactions in charged and neutral current. Standard Model The four interactions and gauge bosons. Hadrons and Leptons. Introduction to Nuclear Astrophysics The Big-Bang and the expanding universe. Stellar Evolution. Mod. Laboratory: The vacuum Types of vacuum. Vane and piston rotary. Diffusion pumps, turbo molecular pumps. Ultra-high vacuum pumps, pumps ion, titanium sublimation pumps. Gauges: thermocouple gauge, Pirani, ionization vacuum gauge hot cathode, cold cathode ionization vacuum gauge. Radioactivity Decay α, β and γ. Discrete spectrum of α particles. Continuous spectrum issue β. Antineutrino. Law of radioactive decay. Decay constant. Life Media. Half-life. Activities. Radioactive families. Radioactive equilibrium. Sources Natural and artificial radioactivity risk Dating the 14C tracer technique. Interaction radiation - matter Ionizing radiation directly. Heavy ions in matter. Stopping power, straggling, Bragg peak, range. Electrons in matter. Indirectly ionizing radiation. X-ray and gamma rays. Bremsstrahlung effect. Rayleigh effect. Photoelectric effect. Effect Compton. Production of couples. Linear attenuation coefficient. Gas detectors: ionization chambers, proportional counters, Geiger-Mueller counters. Semiconductor detectors. Scintillation Detectors. Photomultipliers. Energy Resolution. Efficiency. Detection of heavy charged particles: the telescope detectors. Time Selection events. Elements of radiation dosimetry Source sizes, field sizes, absorption coefficients, coefficients attenuation. Dosimetric quantities. The problem of measuring the dose: the theory of Bragg-Gray cavity (Small cavities). Chemical dosimeters, thermoluminescence dosimeters, film radio chromic. Tutorials - Creating a chain of α particle counting with silicon detector. - Calibration of the multi-channel pulser. - Determination of an unknown source α - Determination of the absolute activity of an α source. - Determining the range of α particles in the air - Use of the scintillator NaI (Tl) for detection of photons