Fenomeni radioattivi: Dai nuclei alle stelle (UNITEXT / Collana di Fisica e Astronomia) (Italian Edition)

I temi trattati costituiscono una introduzione ai fenomeni radioattivi in senso stretto con escursioni, aventi come base di partenza e filo conduttore il decadimento b, nel campo della fisica delle particelle elementari, in particolare dei neutrini, e dell’astrofisica. Alcuni argomenti sono tradizionali (decadimento alfa, beta gamma), altri riguardano la fisica di frontiera (così che al lettore sono offerti particolari itinerari dalla fisica consolidata alla fisica in evoluzione). Title Page Copyright Page Prefazione Table of Contents 1 Legge del decadimento radioattivo 1.1 I fenomeni radioattivi 1.2 La legge esponenziale del decadimento radioattivo 1.2.1 Probabilit`a di decadimento per un singolo nucleo 1.2.2 Tempo di dimezzamento e vita media 1.2.3 Attivit`a 1.2.4 Decadimenti in competizione 1.3 Famiglie radioattive 1.3.1 Decadimento A → B(stabile) 1.3.2 Decadimento A → B(instabile) 1.3.3 Serie di decadimenti 1 → 2 → 3 → ·· ·→(K − 1)→ K (stabile) 1.3.4 Andamento nel tempo della quantit`a di una sostanza radioattiva prodotta da fenomeni non radioattivi. 1.3.5 Misura della vita media 1.4 Appendice – Fluttuazioni statistiche 1.4.1 Statistica e probabilit`a 1.4.2 Frequenza e probabilit`a 1.4.3 Valutazione della costante di decadimento 1.4.4 Sottrazione del fondo 1.4.5 Misure statisticamente compatibili Bibliografia 2 Radiazione ambientale naturale 2.1 Sorgenti della radiazione ambientale 2.2 Radionuclidi naturali primordiali 2.2.1 L’uranio 2.2.2 Il torio 2.3 Calore terrestre di origine radioattiva 2.4 I raggi cosmici 2.5 Radionuclidi naturali cosmogenici 2.6 Radionuclidi artificiali (cenni) 2.7 Effetti biologici della radiazione 2.7.1 Interazione delle particelle cariche con la materia 2.7.2 Interazione dei fotoni con la materia 2.7.3 Effetti delle radiazioni ionizzanti sui tessuti biologici 2.7.4 Unit`a dosimetriche 2.7.5 Danni e fattori di rischio 2.7.6 Dosi alte assorbite in breve tempo 2.7.7 Dosi basse 2.7.8 Radioattivit`a intrinseca del corpo umano 2.8 Il radon 2.8.1 Radiazione media assorbita dalla popolazione 2.9 Sono possibili effetti benefici delle radiazioni? Bibliografia 3 Radiodatazione 3.1 Criterio di base della radiodatazione 3.2 Datazione delle rocce 3.2.1 Introduzione 3.2.2 Metodi di datazione 3.2.3 Et`a della terra 3.2.4 Datazione dei coralli 3.3 Datazione con il 14C 3.4 Appendici 3.4.1 Incertezza sulla radiodatazione dipendente dalla statistica 3.4.2 Esempio di calibrazione della radiodatazione Bibliografia 4 Decadimento γ 4.1 Propriet`a generali del decadimento γ 4.2 Radiazione di multipolo 4.2.1 Equazioni di Maxwell 4.2.2 Parit`a 4.2.3 Parit`a orbitale e parit`a intrinseca 4.2.4 Il campo elettromagnetico nello spazio vuoto 4.2.5 Parit`a orbitale del campo elettrico e del campo magneticoassociati 4.2.6 Campi di multipolo 4.2.7 Parit`a intrinseca 4.2.8 Parit`a totale 4.2.9 Dipolo di radiazione elettrica e di radiazione magnetica. 4.2.10 Regole di selezione 4.3 Le sorgenti del campo elettromagnetico 4.4 Energia della radiazione elettromagnetica Bibliografia 5 Decadimento α 5.1 Caratteristiche generali del decadimento α 5.2 Fenomenologia del decadimento α 5.2.1 Aspetti energetici 5.2.2 Vita media 5.3 Teoria del decadimento α 5.3.1 La barriera repulsiva coulombiana 5.3.2 Le particelle α all’interno dei nuclei 5.3.3 Trasparenza della barriera coulombiana 5.3.4 Costante di decadimento 5.3.5 Effetto della barriera centrifuga 5.4 Decadimenti favoriti e decadimenti sfavoriti Bibliografia 6 Nuclei e decadimenti esotici 6.1 Introduzione 6.2 Radioattivit`a con emissione di nuclei con A > 4 6.3 Emissione di protoni e neutroni 6.3.1 Emissione di protoni 6.3.2 Decadimenti del 151Lu 6.3.3 Decadimenti del 21Na 6.3.4 Emissione protonica da un nucleo isomero 6.3.5 Emissione di neutroni 6.4 I nuclei superpesanti Bibliografia 7 Decadimento β 7.1 Caratteristiche generali del decadimento β 7.2 Condizione energetica per il decadimento β 7.3 Esistenza del neutrino e dell’antineutrino 7.4 Aspetti cinematici del decadimento β 7.4.1 Decadimento β± 7.4.2 Cattura elettronica 7.5 Teoria di Fermi 7.5.1 Densit`a degli stati finali 7.5.2 Elemento di matrice di transizione 7.5.3 Funzioni d’onda per elettrone e antineutrino. 7.5.4 Densit`a di probabilit`a di transizione. Spettro energetico degli elettroni 7.5.5 Elemento di matrice nucleare 7.5.6 Probabilit`a di transizione per unit`a di tempo. Costante didecadimento (vita media) 7.5.7 Classificazione dei decadimenti. Transizioni favorite 7.5.8 Valutazione della costante g dell’interazione debole 7.5.9 Osservazioni conclusive 7.6 Interazione elettromagnetica, interazione forte einterazione debole 7.6.1 Dipendenza dalle coordinate spaziali 7.6.2 Intensit`a delle interazioni 7.7 Appendici 7.7.1 Energia liberata, masse atomiche ed energia di legame 7.7.2 Densit`a degli stati 7.7.3 Sezione d’urto ν + p → e+ + n 7.7.4 Densit`a degli stati finali per ν + p → e+ + n 7.7.5 Emissione di elettroni, raggi X e γ conseguente aldecadimento β 7.7.6 Fattore coulombiano 7.7.7 Misura della vita media del neutrone Bibliografia 8 Misura della massa del neutrino 8.1 Introduzione 8.2 Decadimento del trizio 8.2.1 Spettro energetico dei β 8.3 Spettrometro 8.4 Risoluzione 8.5 Perdita d’energia per ionizzazione 8.6 Radiazione di fondo 8.7 Analisi dei dati 8.8 Risultati sperimentali 8.9 Spettrometro a trappola magnetica 8.10 Appendici 8.10.1 Decadimento β del 3H in livelli eccitati dell’3He 8.10.2 Convoluzione e risoluzione di uno spettrometro Bibliografia 9 Non conservazione della parit`a neldecadimento β 9.1 Parit`a 9.1.1 Leggi di conservazione e propriet`a di invarianza. 9.1.2 Inversione delle coordinate spaziali. Parit`a 9.1.3 Grandezze pari e grandezze dispari 9.1.4 Conservazione della parit`a. Invarianza per inversione delle coordinate 9.1.5 Parit`a orbitale, parit`a intrinseca, parit`a totale 9.1.6 Non conservazione della parit`a 9.2 Decadimento del 60Co 9.2.1 Introduzione 9.2.2 Esperimento del 60Co 9.3 Elicit`a del neutrino 9.4 Elicit`a degli elettroni 9.5 Correlazioni angolari 9.6 Numero leptonico. Invarianza rispetto a CP 9.7 Appendice – Asimmetria destra-sinistra e potenzialespin-orbita Bibliografia 10 Teoria di Dirac 10.1 Introduzione 10.2 Equazione di Schr ̈odinger 10.3 Equazione relativistica di Klein-Gordon 10.4 Particelle e antiparticelle 10.5 Equazione di Dirac 10.6 Propriet`a generali dell’operatore hamiltoniano 10.7 Soluzione dell’equazione di Dirac 10.8 Operatori di proiezione di elicit`a positiva e negativa 10.9 Equazione aggiunta 10.10 Invarianti relativistici 10.11 Propriet`a di invarianza 10.12 Particelle e antiparticelle 10.13 Confronto fra teoria di Dirac e osservazionisperimentali 10.14 Appendici 10.14.1 Commutazione di H e J 10.14.2 Commutazione di H e h 10.14.3 Invarianza relativistica dell’equazione di Dirac 10.14.4 Covarianza e controvarianza Bibliografia 11 Teoria V − A del decadimento β 11.1 Appendice Bibliografia 12 Energia solare 12.1 Caratteristiche del sole 12.2 Origine dell’energia solare 12.2.1 Ipotesi chimica 12.2.2 Ipotesi gravitazionale 12.2.3 Energia termonucleare 12.3 Velocit`a di produzione di deuterio nella catena pp 12.3.1 Formazione del deutone 12.3.2 Trasparenza della barriera coulombiana 12.3.3 Distribuzione maxwelliana dell’energia 12.3.4 Luminosit`a del sole. 12.4 Cenni di nucleosintesi 12.4.1 Introduzione 12.4.2 Cenni sull’evoluzione delle stelle 12.4.3 Nuclei presenti sul sole e loro origine 12.4.4 Formazione dei nuclei con A ≤ 56 12.4.5 Nucleosintesi e materia organica 12.4.6 Formazione dei nuclei pesanti 12.5 Collasso della supernova SN1987A e limitesuperiore della massa del neutrino 12.5.1 Introduzione 12.5.2 Limite superiore della massa del neutrino elettronico. 12.6 Limite inferiore dell’et`a delle stelle e dell’Universo Bibliografia 13 I neutrini solari 13.1 Modelli solari e flusso di neutrini 13.2 Rivelazione dei neutrini 13.2.1 Reazioni di assorbimento 13.2.2 Radiazione di fondo 13.3 Esperimenti 13.3.1 L’esperimento con 37Cl 13.3.2 Esperimenti con 71Ga 13.3.3 Misura diretta 13.4 Osservazioni riassuntive 13.5 Recenti sviluppi sperimentali 13.6 Appendice – Valutazione del fattore astrofisico Bibliografia 14 Neutrini massivi 14.1 Introduzione 14.2 Neutrini massivi 14.2.1 Neutrini di Dirac 14.2.2 Neutrini di Majorana 14.2.3 Osservazione 14.3 Doppio decadimento β 14.3.1 Probabilit`a del decadimento ββ. 14.3.2 Decadimento 2νββ 14.3.3 Decadimento 0νββ 14.4 Oscillazioni di neutrino 14.4.1 I mesoni K neutri. 14.4.2 Oscillazioni di neutrino 14.5 Osservazioni conclusive: esistono differenti neutrinio esiste un solo neutrino multiforme? Bibliografia 15 Doppio decadimento β 15.1 Introduzione 15.2 Spettri energetici e vita media 15.3 Esperimenti 15.3.1 Metodo geochimico 15.3.2 Metodi diretti 15.3.3 Sommario di risultati sperimentali 15.3.4 Massa del neutrino Bibliografia 16 Oscillazioni di neutrino 16.1 Introduzione 16.1.1 Condizioni di osservabilit`a 16.1.2 Esperimenti ideali 16.2 Esperimenti di oscillazione presso reattori nucleari 16.2.1 L’esperimento di G ̈osgen 16.2.2 L’esperimento KamLAND 16.3 I neutrini solari 16.4 I neutrini atmosferici Bibliografia Commiato 17 Appendice 17.1 Formule cinematiche 17.1.1 Formule relativistiche 17.1.2 Principi di conservazione 17.1.3 Sistemi di riferimento del laboratorio (L) e del centro dimassa (CM) 17.1.4 Relazioni fra le quantit`a cinematiche di una particella neisistemi del L e del CM 17.1.5 Relazioni fra le quantit`a cinematiche nel sistema del L e delCM (formule non relativistiche, T  M, P =√2MT) 17.1.6 Relazioni fra le quantit`a cinematiche nel sistema del L e delCM (formule relativistiche, P =√2MT + T2) 17.1.7 Energia di soglia 17.1.8 Decadimenti 17.2 Tabelle Indice Questo volume raccoglie le lezioni del Corso di Radioattività impartite, inizialmente dall’autore e successivamente da suoi collaboratori, agli studenti di Fisica presso l’Università di Pavia. I temi trattati costituiscono un’introduzione ai fenomeni radioattivi in senso stretto con escursioni, aventi come base di partenza e filo conduttore il decadimento beta, nel campo della fisica delle particelle elementari, in particolare dei neutrini, e dell’astrofisica. Alcuni argomenti sono tradizionali, altri riguardano la fisica di frontiera così che al lettore sono offerti particolari itinerari dalla fisica consolidata alla fisica in evoluzione. Ovviamente, per quanto riguarda quest’ultima, i risultati sperimentali riportati e i relativi commenti hanno carattere di provvisorietà. Per questa ragione, in questa edizione del testo, è stata rivolta particolare attenzione all’aggiornamento dei risultati relativi allo studio dei neutrini nell’ambito del doppio decadimento beta e delle oscillazioni di neutrino. In ogni caso, gli argomenti discussi rappresentano una scelta, per qualche verso arbitraria, del vasto materiale disponibile e vengono proposti con carattere introduttivo e non esaustivo. La comprensione dei vari temi presuppone il possesso delle nozioni normalmente impartite nei primi tre anni del Corso di Laurea in Fisica.