ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| PRINCIPI FISICI DELL'INGEGNERIA NUCLEARE | ING-IND/20 | LEZIONI | 60 |
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Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base di fisica atomica e di fisica nucleare, necessarie per affrontare i corsi più specifici nell'ambito dell'ingegneria e tecnologia nucleari.
The course has the purpose to give to the students the basic knowledge of atomic and nuclear physics, as required by the more specific courses in the nuclear engineering and technology field.
Le conoscenze saranno verificate durante la prova di esame.
The knowledges will be verified during the examination.
Al termine del corso l'allievo deve aver acquisito i fondamentali concetti di relatività, fisica atomica e fisica nucleare che verranno richiamati ed utilizzati in altri insegnamenti della Laurea Magistrale in Ingegneria Nucleare.
At the end of the course the student must have acquired the fundamental concepts of relativity, atomic physics and nuclear physics that will be required and applied in other courses of the Master Degree in Nuclear Engineering.
Le capacità saranno verificate durante la prova di esame con domande sugli argomenti indicati.
The skills will be verified during the examination with questions about the indicated arguments.
Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di seguire con profitto i corsi specifici del settore nucleare.
At the end of the course the student is supposed to be able to profitably follow the specific courses of the Nuclear Engineering field.
La verifica della padronanza da parte dello studente delle materie nucleari di base sarà svolta durante la prova di esame.
The verification of the student's mastery of the basic nuclear materials will be carried out during the examination.
Conoscenza di base della fisica classica (meccanica, elettromagnetismo, ottica) e dell'analisi matematica.
Basic knowledge of classical physics (mechanics, electromagnetism, and optics) and mathematical analysis.
Lezioni frontali in lingua inglese con ausilio di slide ed esercitazioni in laboratorio a gruppi o con dimostrazioni per tutti da parte del docente. Il materiale didattico è disponibile sul sito di elearning del Polo di Ingegneria dell'Università di Pisa (http://elearn.ing.unipi.it) o chiedendo direttamente al docente.
Frontal lessons in English language with slide presentations and laboratory exercises in groups or with teacher demonstration for all students. The lesson material is available on the e-learning site of the Engineering School of the University of Pisa (http://elearn.ing.unipi.it) or directly asking to the teacher.
L'insegnamento si articola sui seguenti argomenti: relatività ristretta; fisica atomica con elementi di meccanica quantistica e struttura della materia; fisica nucleare, decadimento radioattivo e sorgenti di radiazione; interazioni delle radiazioni con la materia; introduzione alla statistica; semplici esperienze di laboratorio. Gli argomenti del corso sono illustrati in dettaglio di seguito.
Relatività: basi sperimentale della teoria della relatività speciale, esperimento di Michelson-Morley, postulati della teoria della relatività speciale. Relatività della simultaneità e sincronizzazione degli orologi. Trasformazioni di Lorentz e loro conseguenze. Velocità relativistiche e trasformazioni dell'accelerazione. Dinamica relativistica ed equivalenza tra massa ed energia. Trasformazioni di Lorentz del momento angolare, dell'energia, della massa e della forza.
Fisica atomica: struttura atomica della materia, leggi dei gas perfetti e leggi fondamentali della chimica. Teoria cinetica dei gas, moto browniano, distribuzione di Maxwell-Boltzmann. Radiazione di corpo nero e ipotesi del fotone. Effetto fotoelettrico ed effetto Compton. Carica e massa dell'elettrone. Modelli atomici di Thomson e Rutherford, teoria di Bohr dell'idrogeno e degli atomi idrogenoidi. Dualità onda-particella e principio di indeterminazione di Heisenberg. Equazione di Schrödinger e sua applicazione all'atomo di idrogeno, numeri quantici, principio di esclusione di Pauli. Principio di sovrapposizione in meccanica quantistica.
Fisica nucleare: definizione di specie nucleare, carta dei nuclidi, isotopia e separazione isotopica. Legge del decadimento radioattivo e catene naturali di decadimento radioattivo. Proprietà dei nuclei atomici, modelli nucleari, formula di Weizsäcker, livelli energetici del nucleo. Decadimento alfa, beta e gamma. Reazioni nucleari e radioattività artificiale. Fissione nucleare, interazioni dei neutroni con la materia, sorgenti di neutroni e sezioni d’urto neutroniche. Interazione delle radiazioni elettromagnetiche e delle particelle cariche con la materia. Breve descrizione degli impianti nucleari a fissione. Introduzione alla statistica.
Laboratorio: vari tipi di radiazioni ionizzanti, esempi di radioattività naturale, natura probabilistica del decadimento radioattivo. Misurazione della radioattività con un rivelatore Geiger e con un rivelatore a scintillazione, statistica di conteggio. Attivazione neutronica di indio e oro.
The course is based on the following topics: special relativity; atomic physics with elements of quantum mechanics and structure of matter; nuclear physics, radioactive decay and radiation sources; interactions of radiation with matter; introduction to statistics; simple laboratory exercises. In the following the arguments of the course are listed in more detail.
Relativity: experimental basis of the special relativity theory, experiment of Michelson-Morley, postulates of the special relativity theory. Relativity of simultaneity and clocks synchronization. Lorentz coordinate transformations and their consequences. Relativistic velocity and acceleration transformations. Relativistic dynamics and equivalence between mass and energy. Lorentz transformations of the momentum, energy, mass, and force.
Atomic physics: atomic structure of matter, perfect gas laws and fundamental laws of chemistry. Kinetic theory of gases, Brownian motion, Maxwell-Boltzmann distribution. Black-body radiation and photon hypothesis. Photoelectric effect and Compton effect. Charge and mass of the electron. Thomson and Rutherford atomic models, Bohr theory of hydrogen and hydrogenic atoms. Wave-particle duality and Heisenberg’s uncertainty principle. Schrödinger equation and its application to the hydrogen atom, quantum numbers, Pauli exclusion principle. Quantum superposition principle.
Nuclear physics: Definition of a nuclear species, chart of the nuclides, isotopy and isotope separation. Radioactive decay law and natural radioactive decay chains. Properties of atomic nuclei, nuclear models, formula of Weizsäcker, energy levels of the nucleus. Alpha decay, beta decay, gamma decay. Nuclear reactions and artificial radioactivity. Nuclear fission, neutron interactions with matter, neutron sources and neutron cross sections. Interaction of electromagnetic radiation and charged particles with matter. Short description of fission nuclear power plants. Introduction to statistics.
Laboratory: Different types of ionizing radiations, examples of natural radioactivity, probabilistic character of the radioactive decay. Measurement of the radioactivity with a Geiger and scintillator detector, counting statistics. Neutron activation of indium and gold.
Oltre alle slide fornite dal docente, alcuni testi sui quali approfondire gli argomenti del corso sono i seguenti:
P. A. Tipler, R. A. Llewellyn, Modern Physics, W. H. Freeman and Company, New York, 2008.
P. A. Tipler, G. Mosca, Corso di Fisica, Vol. 3, Fisica Moderna, Zanichelli, Bologna, 2009).
J. I. Pfeffer, S. Nir, Modern Physics: An Introductory Text, Imperial College Press, London, 2000.
M. L. Burns, Modern Physics for Science and Engineering, Physics Curriculum & Instruction, Lakeville, E-book, 2020.
R. Gautreau, W. Savin, Modern Physics, Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill, New York, 1999.
I. K. Shultis, R. E. Faw, Fundamentals of Nuclear Science and Engineering, CRC Press, Boca Raton, 2008.
E. F. Taylor, J. A. Wheeler, Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity, W. H. Freeman and Company, New York, 1992.
D. J. Morin, Special Relativity: For the Enthusiastic Beginner, CreateSpace Independent Publishing Platform, 2017.
V. Barone, Relatività. Principi e applicazioni, Bollati Boringhieri, Torino, 2004.
R. Resnick, Introduzione alla relatività ristretta, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 1979.
W. Pauli, Teoria della relatività, Bollati Boringhieri, Torino, 2008.
M. Born, Fisica atomica, Bollati Boringhieri, Torino, 1976.
H. Haken, H. C. Wolf, Fisica atomica e quantistica: introduzione ai fondamenti sperimentali e teorici, Bollati Boringhieri, Torino, 1990.
J. S. Lilley, Nuclear Physics: Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, 2001.
K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, John Wiley & Sons, Hoboken, 1988.
W. E. Meyerhof, Elements of Nuclear Physics, Mc-Graw Hill, Singapore, 1989.
J. R. Taylor, Introduzione all’analisi degli errori: lo studio delle incertezze nelle misure fisiche, Zanichelli, Bologna, 2000.
In addition to the slides provided by the teacher, some texts useful to deepen the topics of the course are the followings:
P. A. Tipler, R. A. Llewellyn, Modern Physics, W. H. Freeman and Company, New York, 2008.
P. A. Tipler, G. Mosca, Physics for Scientists and Engineers, 5th ed., W. H. Freeman and Company, New York, 2004.
J. I. Pfeffer, S. Nir, Modern Physics: An Introductory Text, Imperial College Press, London, 2000.
M. L. Burns, Modern Physics for Science and Engineering, Physics Curriculum & Instruction, Lakeville, E-book, 2020.
R. Gautreau, W. Savin, Modern Physics, Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill, New York, 1999.
I. K. Shultis, R. E. Faw, Fundamentals of Nuclear Science and Engineering, CRC Press, Boca Raton, 2008.
E. F. Taylor, J. A. Wheeler, Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity, W. H. Freeman and Company, New York, 1992.
D. J. Morin, Special Relativity: For the Enthusiastic Beginner, CreateSpace Independent Publishing Platform, 2017.
R. Resnick, Introduction to special relativity, Wiley, New York, 1968.
W. Pauli, Theory of relativity, Dover Publications, New York, 1981.
M. Born, Atomic Physics, Dover Publications, New York, 1969.
H. Haken, H. C. Wolf, The physics of atoms and quanta: introduction to experiments and theory, Springer, Berlin, 2005.
J. S. Lilley, Nuclear Physics: Principles and Applications, John Wiley & Sons, Hoboken, 2001.
K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, John Wiley & Sons, Hoboken, 1988.
W. E. Meyerhof, Elements of Nuclear Physics, Mc-Graw Hill, Singapore, 1989.
J. R. Taylor, An introduction to error analysis: the study of uncertainties in physical measurements, University Science Books, Sausalito, 1997.
Non sussistono variazioni per studenti non frequentanti in merito a programma, materiale didattico, modalità d'esame e bibliografia.
There are no variations for non-attending students for what concerns the program, the didactic material, the assessment method and the course bibliography.
L'esame orale consiste in un colloquio durante il quale lo studente è invitato a discutere uno o più argomenti trattati a lezione o nell'ambito delle esercitazioni di laboratorio, con la possibilità di risoluzione di semplici esercizi. L'esame può essere in italiano o in inglese, a scelta dello studente. L'esame viene svolto nelle date stabilite da calendario ed ha una durata di circa 1 ora.
The oral examination consists of an interview during which the student is asked to discuss some topics covered during the lessons or in the laboratory exercises, with the possibility of solving simple problems. The examination can be in Italian or English, as preferred by the student. The examination date is established by the official calendar and it lasts about 1 hour.
