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Introduzione alla fisica nucleare e subnucleare con laboratorio

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Introduction to nuclear and subnuclear physics with Laboratory

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Anno accademico 2014/2015

Codice dell'attività didattica
MFN1316
Docenti
Prof. Marco Costa (Titolare del corso)
Prof. Simonetta Marcello (Titolare del corso)
Prof. Nicola Carlo Amapane (Titolare del corso)
Corso di studi
008703 Laurea in Fisica
Anno
3° anno
Periodo didattico
Secondo periodo didattico
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
9
SSD dell'attività didattica
FIS/04 - fisica nucleare e subnucleare
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
PARTE TEORICA
PARTE PRATICA DI LABORATORIO
E' richiesto che lo studente abbia seguito i corsi di Laboratorio degli anni precedenti.
E che abbia seguito il corso sulla parte teorica di Introduzione alla Fisica Nucleare e Subnucleare
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

PARTE TEORICA
Presentare le metodologie principali utilizzate per lo studio della struttura
dei nuclei e delle particelle, illustrando sia i modelli teorici sia le tecniche
sperimentali impiegate Descrivere le principali conoscenze acquisite in
fisica nucleare e subnucleare dall'esperienza di Rutherford alla
formulazione del modello a quark statico. Illustrare alcune delle principali
applicazioni della fisica nucleare e subnucleare.
PARTE PRATICA DI LABORATORIO
Lo scopo principale del corso è mettere gli studenti in grado di
padroneggiare la metodologia di base e le tecniche sperimentali
necessarie per condurre un esperimento su tematiche di fisica nucleare e
acquisire un atteggiamento critico nell'analisi dei dati.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Gli studenti apprendono l'uso di strumentazione ad avanzata tecnologia e
sono in grado di fare le tarature e la messa a punto necessarie a eseguire
misure complesse che richiedono un'elaborazione e un'analisi statistica
dei dati raccolti

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Durante le prove pratiche in laboratorio i docenti e i tutor illustrano e discutono le varie fasi delle esperienze. I docenti in seguito discutono con gli studenti l'elaborazione e l'analisi dati che viene fatta sulle esperienze svolte. In questo modo si controlla che tutti gli studenti comprendano bene lo scopo delle esperienze e le tecniche di misura e di analisi utilizzate. **Esame** Una prova scritta (una relazione di alcune pagine sull’esperienza svolta in laboratorio). Una prova orale (durata media 30') in cui si discutono la fisica, la strumentazione utilizzata e i risultati dei dati analizzati relativi all’esperienza svolta in laboratorio. Sono ammesse alla prova orale soltanto le persone che hanno consegnato una relazione che abbia una valutazione sufficiente. La valutazione della relazione può essere: ottimo, buono, discreto, sufficiente, insufficiente. Il voto verrà deciso collegialmente con il docente della parte teorica dell’esame di Introduzione alla Fisica Nucleare e Subnucleare. Al termine della prova orale di laboratorio viene comunicato un giudizio: ottimo, buono, discreto, sufficiente, insufficiente. NB: Le persone che NON superano la prova di esame al primo appello subito dopo il corso non sono ammesse al secondo appello e dovranno iscriversi all’appello della sessione estiva o successive

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Programma

PARTE TEORICA.
Prospettiva storica; lessico, grandezze e unità di misura; i costituenti
della materia e loro interazioni; sezione d'urto per diffusione
Coulombiana; simmetrie, continue e discrete e leggi di conservazione;
principali classi di esperimenti e degli strumenti utilizzati; fenomeni fisici
sfruttati per la rivelazione delle particelle; probabilità di transizione
nell'unità di tempo.
Proprietà generali dei nuclei (costituenti "classici" dei nuclei e loro
scoperta, masse nucleari ed energia di legame. Parametrizzazione
dell'energia di legame. Dimensioni e geometria dei nuclei; diffuzione
elastica elettrone-nucleo; distribuzione di carica e materia nei nuclei;
fattore di forma in appros. di Born; diffusione inelastica e-nucleo;
diffusione quasi-elastica e-nucleo. Momento di Fermi.
Stabilità e instabilità dei nuclei. Proprietà generali della forza nucleare;
Modelli di potenziale fenomenologici; forze di scambio, evidenza
sperimentale; L'ipotesi di Yukawa e cenni su la teoria mesonica delle
forze nucleari; decadimento nucleare e sue leggi; decadimento beta,
fenomenologia e sintesi della teoria di Fermi; decadimenti alfa ed
elettromagnetici; fissione nucleare.
Struttura dei nucleoni. Diffusione elastica e-N; fattori di forma elettrici e
magnetici; stati eccitati dei nucleoni; esperimenti di diffusione
profondamente anelastica elettrone-protone; funzioni di struttura e cenni
al modello a partoni; struttura a quark dei nucleoni; quark di valenza e
del "mare". Carica, spin e distribuzioni di momento; quark costituenti.
Gluoni.
Produzione di particelle in collisioni e+/e-:Fasci di particelle in collisione;
annichilazione in coppie di leptoni o quark, adronizzazione; Numero
quantico di "colore"; produzione di risonanze in annichilazione e+/e-;
evidenza sperimentale sull'emissione di gluoni.
Sistemi composti di quark: gli adroni (Combinazioni quark-antiquark;
mesoni con quark leggeri; multipletti mesonici, numeri quantici, isospin,
stranezza; mesoni pseudoscalari e vettori; barioni composti da quark u,d,
s. Iperoni; esperimenti di formazione e di produzione).
PARTE PRATICA DI LABORATORIO.
Richiami su Interazione radiazione-materia, Interazione particelle cariche-
materia. Richiami di analisi dati.
Esperienze su:
Spettroscopia gamma: studio delle caratteristiche del decadimento
gamma di alcuni isotopi radioattivi con rivelatore a NaI(Tl). Calibrazione
dell'Analizzatore MultiCanale. Spettro di energia di una sorgente gamma.
Misura del coefficiente di assorbimento di massa nel Pb. Misura
dell'attività di una sorgente. Misura del picco somma con la sorgente di
60Co.
Spettroscopia Alpha: studio della perdita di energia per ionizzazione di
particelle alpha utilizzando un rivelatore al Si. Misura del range in aria
delle particelle alpha. Misura dei Branching Ratios con la sorgente di
241Am. Catena di decadimento del 232Th.
Raggi Cosmici: rivelazione di raggi cosmici tramite rivelatori a
scintillazione. Misura di efficienza di un rivelatore a scintillazione. Curva
di coincidenza.

THEORY PART
Historical perspective, terminology, physical quantities and units, the
constituents of matter and their interactions, cross sections for Coulomb
diffusion; continuous and discrete symmetries, conservation laws, main
classes of experiments and instrumentation used; physical phenomena
utilized for particle detection; transition probability vs. time.
General properties of nuclei (“classical” constituents and their discovery,
nuclear masses and bond energy. Parameterization. Dimensions and
geometry of nuclei, electron-nucleus elastic diffusion; charge and matter
distributiion in nuclei, form factor, 1st Born approximation; electron-
nucleus inelastic diffusion; quasi-elastic electron-nucleus diffusion. Fermi
momentum).
Nuclear stability and instability (nuclear force, general properties;
phenomenological potential; exchange forces, experimental evidence;
Yukawa hypothesis and brief outline of mesonic theory of nuclear forces;
nuclear decay and its laws; beta decay, phenomenology and summary of
Fermi theory; alfa and electromagnetic decays; nuclear fission).
Structure of nucleons (e-N elastic diffusion; electrical and magnetic form
factors; excited states of nucleons; experiments on deeply anelastic
lepton diffusion; structure functions and brief outline of the parton model;
quark structure of nucleons; valence and sea quarks; charge, spin and
momentum distributions; constituents quarks. Gluons).
Systems composed of quarks: hadrons (quark-antiquark combinations;
mesons with light quarks; mesonic multiplets, quantum numbers, isospin,
strangeness; pseudoscalar and vector mesons; barions composed of u,d,
s, quarks. Formation and production experiments).
LABORATORY PART
Review on Interaction of electromagnetic radiation with matter. Review
on interaction of charged particles with matter. Review on data analysis.
Experiments on:
Gamma spectroscopy: study of gamma decays of radioactive isotopes by
means of a NaI(Tl) detector. Energy spectrum of gamma source.
Measurement of total absorption coefficient on Pb. Measurement of
gamma source activity.
Alpha spectroscopy: measurement of energy loss of alpha particles by
means of a Si detector. Measurement of the radioactive decay chain for
232Th
Cosmic rays: Detection of cosmic rays by means of scintillation detectors.
Efficiency measurement of scintillation detector. Coincidence curve.

Testi consigliati e bibliografia

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PARTE TEORICA
Dispense a cura di M. Costa
B. Povh et al., Particelle e Nuclei, Bollati e Boringhieri (2000)
D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, IV edizione, University
Press Cambridge (2000)
PARTE PRATICA DI LABORATORIO
Dispense/Schede dei docenti con la fisica e la spiegazione delle
esperienze, manuali della strumentazione utilizzata.



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Note

ATTENZIONE ! Vecchio Esame Laboratorio V
Se qualcuno di voi ha nel carico didattico l'esame di Lab V (6 CFU di cui
3CFU Lab Nucleare e 3 CFU Lab Struttura) vi chiedo di inviarmi un mail.
Infatti, le due parti di laboratorio si danno insieme e non possono essere
fatte in giorni differenti. La data dell'appello viene fissata insieme al prof.
Olivero.

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Moduli didattici

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Ultimo aggiornamento: 16/04/2015 15:14
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