Università degli Studi Guglielmo Marconi

Insegnamento
Fisica nucleare
Docente
Prof. Iazeolla Carlo
Settore Scientifico Disciplinare
FIS/04
CFU
6
Descrizione dell'insegnamento
Il corso intende fornire una visione sintetica dei principi di base della Fisica Nucleare applicata alle utilizzazioni industriali, specialmente per quanto riguarda la produzione di energia elettrica e problemi di misura e controllo in ambito industriale, ed è articolato in tre parti principali. Nella prima si introducono alcuni concetti fondamentali della Fisica Nucleare e si illustra la struttura microscopica della materia, si descrive inoltre il fenomeno della radioattività, ricavando la legge del decadimento, e si illustrano i tipi di decadimenti cui un nuclide può essere soggetto. Vengono anche introdotti i concetti e le quantità fisiche fondamentali per la descrizione degli urti fra particelle e delle reazioni nucleari.
Nella seconda parte si affronta il tema dell’interazione radiazione-materia. Tale studio è strumentale alla comprensione delle metodologie di rivelazione delle particelle, che vengono prese in considerazione in seguito, dal momento che il funzionamento dei rivelatori è basato sull’osservazione indiretta degli effetti prodotti dal passaggio delle particelle nella materia, effetti dettati dal modo in cui le particelle interagiscono al suo interno.
La terza parte è dedicata allo studio della reazione di fissione dell’Uranio-235, con particolare riferimento alla reazione di fissione a catena, e alla sua applicazione nei reattori nucleari. Viene affrontato il funzionamento dei vari tipi di reattori nucleari attualmente prodotti, la gestione e lo smaltimento dei rifiuti radioattivi e le applicazioni industriali delle radiazioni nucleari. Il corso si conclude con una lezione sulla reazione di fusione nucleare, meccanismo alla base della produzione di energia nelle stelle.
Obiettivi formativi (espressi come risultati di apprendimento attesi)

Obiettivo del corso di Fisica Nucleare è dare agli studenti le nozioni di base per comprendere i più importanti fenomeni legati alle reazioni nucleari e all’interazione radiazione-materia, specialmente quelli di interesse per le utilizzazioni industriali.
Pertanto, le principali conoscenze che gli studenti potranno acquisire con questo corso (descrittore di Dublino 1) sono costituite anzitutto dalle basi della struttura microscopica della materia, della descrizione dei decadimenti radioattivi, dei principali processi che portano alla perdita di energia di particelle cariche, neutroni, e fotoni nella materia, della rivelazione delle particelle, e delle reazioni nucleari di fissione e fusione, unite allo studio della struttura fondamentale dei reattori nucleari.
Le principali abilità che gli studenti possono acquisire dal corso (capacità di applicare le conoscenze acquisiste, descrittore di Dublino 2) si concretizzano soprattutto nella comprensione basilare dei fenomeni naturali alla base delle reazioni nucleari di interesse industriale e nella capacità di saper interpretarli da un punto di vista non solo qualitativo ma anche quantitativo, ad esempio tramite il calcolo della resa energetica delle reazioni o di quantità caratteristiche dei decadimenti nucleari. Allo sviluppo delle abilità di calcolo concernenti i processi studiati sono dedicati vari esercizi svolti nell’ambito del corso. Lo studio di fenomeni fisici relativamente complessi darà inoltre agli studenti la possibilità di entrare in contatto con alcuni concetti centrali della Fisica Moderna – principalmente legati alla teoria della Relatività Ristretta e alla Meccanica Quantistica – e di affinare in tal modo la loro padronanza del lessico e del metodo scientifico.
L’apprendimento di questo corso e l’applicazione delle conoscenze acquisite alla soluzione dei problemi proposti contribuiscono allo sviluppo di competenze trasversali, quali la capacità di analizzare sistemi complessi e di elaborare soluzioni in autonomia di giudizio.
La verifica delle capacità di apprendimento verrà effettuata tramite le prove d’esame, nonché sulla base delle discussioni tenute nell’ambito delle aule virtuali e degli esercizi/questionari svolti in autonomia dallo studente stesso. L’Aula virtuale è costruita e pensata per venire incontro alle esigenze dello studente, mediante interazione diretta con lo stesso, in modo tale da poter eliminare i dubbi e le incertezze che si hanno di volta in volta. Quest’ultima si svolge in due ore come una esercitazione/ricevimento frontale.

Prerequisiti
Matematica I, Matematica II, Fisica Generale.
Contenuti dell'insegnamento

Modulo I: Fisica nucleare delle basse energie.

  • Atomi e Nuclei: Equivalenza Massa-Energia. Struttura del nucleo atomico. Nomenclatura della sistematica nucleare. Unità di misura. Il modello a shell. Emissione ed assorbimento di luce.
  • Radioattività: Legge del decadimento. Attività di una sorgente. Decadimento in canali differenti. Branching ratio. Catene di decadimento. Abbondanze relative degli elementi e regole empiriche di stabilità. Grafico di Segrè ed interpretazione delle regole empiriche di stabilità. Misura della vita media.
  • Decadimenti radioattivi: Energia di legame e difetto di massa. Saturazione della forza nucleare. Energia di separazione. Sistematica dei nuclei stabili. Decadimento a. Decadimento b-. Decadimento b+. Cattura elettronica. Emissione g. Cenni sulla conversione interna.
  • Urto fra particelle: Flusso di particelle. Sezione d’urto microscopica e macroscopica. Sezione d’urto differenziale. Variazione della sezione d’urto con l’energia. Tasso di reazione.
  • Reazioni nucleari: Definizione di reazione nucleare. Q-valore di una reazione. Reazioni nucleari indotte da neutroni di bassa energia. Sezioni d’urto neutroniche. Migrazione neutronica.

Modulo II: Interazione radiazione-materia e rivelazione delle radiazioni nucleari.

  • Interazione delle particelle cariche con la materia: Dualismo onda-corpuscolo. Perdita di energia per ionizzazione. Perdita di energia per irraggiamento (Bremsstrahlung). Effetto Cerenkov.
  • Interazione dei neutroni e della radiazione gamma con la materia: Dipendenza delle sezioni d’urto dall’energia. Attenuazione dei neutroni. Effetto fotoelettrico. Effetto Compton. Creazione di coppie elettrone-positrone. Attenuazione della radiazione gamma. Rivelatori a gas: Generalità.
  • Rivelatori a gas. Camera a ionizzazione. Camera a ionizzazione a risposta integrale. Camera a ionizzazione per impulsi singoli. Analisi dell’impulso di tensione. Camera a griglia. Contatore proporzionale. Fattore di moltiplicazione. Influenza dei fotoelettroni nel fattore di moltiplicazione. Contatori proporzionali per neutroni termici. Contatori al trifluoruro di boro. Contatori a elio-3. Contatore Geiger-Mueller. Andamento della risposta di un rivelatore cilindrico a gas in funzione della tensione. Rivelatori a stato solido: Struttura a bande energetiche dei solidi. Rivelatori a semiconduttore. Proprietà dei semiconduttori e principio di funzionamento. Caratteristiche di silicio e germanio. Rivelatori a scintillazione. Generalità sui materiali scintillatori e meccanismo di generazione della luce di scintillazione. Principio di funzionamento dei rivelatori a scintillazione. Fotomoltiplicatore. Scintillatori inorganici e scintillatore NaI(Tl).
  • Caratteristiche ed utilizzazione dei rivelatori: Risposta di un rivelatore. Efficienza geometrica ed intrinseca. Sensibilità. Tempo di risposta e Tempo morto. Risoluzione. Conteggi di radiazioni nucleari. Correzione per il tempo morto. Principi generali della spettrometria gamma.

Modulo III: Fissione e fusione nucleare.

  • Reazione di fissione nucleare: Generalità sulla reazione di fissione. La barriera di potenziale e l’energia critica. Fissione termica e veloce. Sezione d’urto di fissione. Nuclidi fissili. fissionabili e fertili. Bilancio energetico della fissione. Competizione fra fissione e cattura radiativa. I frammenti di fissione. I neutroni di fissione: neutroni pronti e ritardati. Fissione dell’Uranio-235.
  • Reazione di fissione a catena: Reazione a catena e moltiplicazione neutronica. Sistemi moltiplicanti. Massa critica. Geometria critica. Fattore di criticità. Assemblaggio moltiplicante veloce. Assemblaggio moltiplicante termico. Formula dei quattro fattori. Potenza di un reattore.
  • Reattori nucleari: Il Reattore nucleare termico. Reattore BWR, PWR, Candu. Reattore nucleare veloce. Cenni sul ciclo del combustibile. Cenni sulla gestione dei rifiuti radioattivi.
  • Reazione di fusione nucleare: Fusione nucleare D-D, D-T e D-3He. Reazione termonucleare in un plasma. Temperatura di ignizione. Fusione controllata. Criterio di Lawson. Cenni sui reattori a fusione. Fusione nel sole e nelle stelle.
  • Acceleratori di particelle ed Utilizzazione industriale delle radiazioni nucleari: Principio di funzionamento degli acceleratori di particelle. Acceleratori a caduta di potenziale, lineari, circolari e a fasci collidenti. Cenni sulle tecniche industriali che contemplano l’uso di sorgenti radioattive.
Attività didattiche
Le attività didattiche si articolano in didattica erogativa e didattica interattiva.
Per quanto riguarda la didattica erogativa, l'insegnamento prevede, per ciascun CFU, 5 ore di Didattica Erogativa, costituite da 2,5 videolezioni (tenendo conto delle necessità di riascolto da parte dello studente). Ciascuna videolezione esplicita i propri obiettivi e argomenti, ed è corredata da materiale testuale in formato .pdf. Le videolezioni illustrano in dettaglio i contenuti del corso, a tal fine ricorrendo, ove utile, a numerosi esempi concreti ed applicazioni pratiche.
Per quanto riguarda la didattica interattiva, l'insegnamento segue quanto previsto dalle Linee Guida di Ateneo sulla Didattica Interattiva e l'interazione didattica, e propone, per ciascun CFU, 1 ora di Didattica Interattiva dedicata alle seguenti attività: lettura area FAQ, partecipazione ad e-tivity strutturata costituita da attività finalizzate alla restituzione di un feedback formativo e interazioni sincrone dedicate a tale restituzione. Sono a tal proposito previste aule virtuali di una-due ore che consentono una interazione sincrona con lo studente. In particolare, il docente con le aule virtuali potrà dar conto agli studenti – attraverso gli esami fatti, i test di verifica ed autovalutazione – di quali sono i maggiori punti di sofferenza nella loro preparazione, per poter quindi intervenire su specifiche tematiche con ulteriori spiegazioni ed esercizi pratici.
Modalità di verifica dell'apprendimento
L’esame si svolge in forma scritta. La prova ha una durata di 120 minuti e, durante lo svolgimento della stessa, è consentito esclusivamente l’uso di una calcolatrice non programmabile e del testo della normativa fornita direttamente dalla commissione d’esame. La prova è tipicamente costituita da tre quesiti di teoria, a risposta aperta, e due esercizi quantitativi sugli argomenti svolti durante il corso. Il punteggio è ripartito in modo sostanzialmente uniforme su ciascuno dei quesiti ed esercizi compresi nella prova.
Ogni quesito è conforme ai tre descrittori di Dublino. Si richiede agli studenti di essere in grado di applicare le conoscenze e gli strumenti matematici acquisiti nel corso alla soluzione di un problema concreto, di difficoltà compatibile con quella dei problemi risolti come esempio nel corso delle videolezioni, e di dar prova di aver compreso e fatto proprie le nozioni fondamentali presentate nel corso.
Sono altresì previste prove di verifica e di autoverifica intermedie erogate in modalità distance learning che riguardano lo svolgimento di test di autoapprendimento. Sebbene le prove di verifica e di autoverifica intermedie non contribuiscono alla formulazione del giudizio finale e non sono obbligatorie ai fini del sostenimento della prova d’esame, la quale deve essere svolta in presenza dello studente davanti ad apposita Commissione ai sensi dell'art. 11 c.7 lett.e) del DM 270/2004, esse sono da considerarsi altamente consigliate e utili ai fini della preparazione e dello studio individuale. Infatti, la prova finale e le prove di verifica e di autoverifica intermedie consentono nel loro insieme di accertare la capacità di conoscenza e comprensione, la capacità di applicare le competenze acquisite, la capacità di esposizione, la capacità di apprendere e di elaborare soluzioni in autonomia di giudizio.
Libri di testo

Oltre alle lezioni realizzate dal Docente ed ai materiali didattici pubblicati in piattaforma, è obbligatorio lo studio dei seguenti testi:

  • Emilio Segrè, Nuclei e particelle, 2° ed., Zanichelli.
  • Murray R. L., Nuclear Energy, 6th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), Oxford 2009, Capitoli della parte I e II.

Testi di approfondimento:

  • Ugo Amaldi, Fisica delle radiazioni, Bollati Boringhieri.
  • Lilley J.S., Nuclear Physics, John Wiley & Sons Ltd., 2001.
  • Leo W.R., Techniques for nuclear and particle physics experiments, Springer & Verlag, Cap.[1,2,5,6,7,8].
  • Tavernier S., Experimental Techniques in Nuclear and Particle Physics, Springer, 2010, Cap.[1,2,4,5,6,7]
Ricevimento studenti

Previo appuntamento (c.iazeolla@unimarconi.it).