La fisica nucleare e le interazioni tra particelle elementari sono oggigiorno i fondamenti di sempre maggiori applicazioni tecnologiche, mediche ed industriali. I principi fisici che ne stanno alla base rappresentano pertanto un importante bagaglio culturale per studenti di Ingegneria Fisica. Questo insegnamento intende fornire le basi teoriche della fisica moderna relativa ai nuclei e alle particelle elementari, con riferimento sia all'ambiente terrestre sia a fenomeni astrofisici, e delle tecnologie nucleari applicate al settore biomedicale. L'insegnamento è suddiviso in tre parti: nella prima sono trattati gli aspetti fondamentali della fisica dei nuclei e delle particelle elementari. Nella seconda parte lo studente apprende nozioni basilari della fisica nucleare applicata alla radioattività ed al settore biomedicale. Infine, la terza parte verte sui principi fisici e le applicazioni relative alla fissione, alla fusione nucleare, con lo studio delle principali reazioni termonucleari all'interno delle stelle e l'introduzione ai principali concetti di astrofisica nucleare.

Al termine dell'insegnamento gli studenti saranno in grado di: - Conoscere e comprendere i principi fisici legati all'interazione nucleare ed alle particelle elementari. - Conoscere ed applicare le principali leggi di conservazione alle reazioni nucleari. - Conoscere e comprendere nel dettaglio i principali modelli teorici nucleari. - Conoscere e comprendere nel dettaglio la natura dei decadimenti radioattivi e le principali fonti di radioattività ambientale. - Conoscere le principali caratteristiche della propagazione della radiazione all'interno della materia al fine di comprendere diverse applicazioni tecnologiche con particolare attenzione al campo della medicina e delle biotecnologie. - Conoscere e comprendere le principali applicazioni relative alla fissione e fusione nucleare. - Conoscere e comprendere i principi fisici relativi alla nucleosintesi ed evoluzione stellare. - Applicare le conoscenze di natura teorica acquisite per risolvere esercizi pratici relativi alle diverse tipologie di reazioni nucleari - Applicare le conoscenze acquisite per comprensione delle principali applicazioni ingegneristiche e tecnologiche connesse con i fenomeni subatomici trattati. - Capacità di combinare elementi teorici e sviluppo di competenze metodologiche per trarne conclusioni utili in diverse problematiche reali, principalmente connesse con la radiazione e la medicina nucleare.

Per la corretta fruizione dell’insegnamento è richiesta un'approfondita conoscenza di: - Fisica di base (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica ondulatoria, elementi di struttura della materia) - Meccanica quantistica e meccanica statistica. - Matematica di base.

L'insegnamento è organizzato in 3 moduli: - I modulo (27 ore) Evidenze sperimentali e caratteristiche fondamentali dei nuclei. Sezione d'urto totale e differenziale. Diffusione elastica ed anelastica elettroni-nuclei. Struttura a quark e modello a partoni del nucleone. Energie di legame, formula semiempirica di massa, proprietà e principali modelli relativi alla descrizione dell’interazione nucleare, isospin e studio del deutone. Equazione di Dirac, stati di spin ed elicità. Fenomenologia delle particelle elementari, simmetrie e leggi di conservazione. - II modulo (20 ore) Decadimenti radioattivi alfa, beta, gamma e connesse applicazioni tecnologiche. Decadimenti deboli e violazione della parità. Interazione della radiazione con la materia. Rivelatori di particelle e di radiazione ionizzante. Effetti biologici della radiazione. Immagini con radiazione ionizzante. Risonanza magnetica nucleare. Radioterapia ed adroterapia. Applicazioni biomediche. - III modulo (13 ore) Principi fisici della fissione e fusione nucleare. Reazioni termonucleari nelle stelle ed in reattori terrestri. Applicazioni tecnologiche. Nucleosintesi primordiale ed evoluzione stellare. Stelle di neutroni e stelle a quark.

L'insegnamento si articola in lezioni di teoria ed approfondimenti relativi ai principi fisici ed alle applicazioni. Le lezioni sono strutturate al fine di favorire la comprensione dei vari argomenti introducendo la trattazione teorica e modellistica in stretta connessione con le evidenze sperimentali e con le possibili applicazioni tecnologiche ed industriali. All'interno delle lezioni verranno svolte alcune esercitazioni focalizzate a stimolare l'abilità di applicare le conoscenze acquisite nella risoluzione di semplici problemi, nella modellizzazione e nell'analisi critica di realistici problemi applicativi. A complemento del corso, sono previsti alcuni seminari relativi alle applicazioni biomediche da parte di esperti appartenenti ad enti di ricerca ed aziende sanitarie.

- B. R. Martin, Nuclear Physics and Particle Physics, Wiley (2009) - J. Lilley, Nuclear Physics, Principles and Applications, Wiley (2001) - M. Thomson, Modern Particle Physics, Cambride University Press (2013) - A. J. Larkoski, Elementary particle physics, Cambride University Press (2019) (consigliato per approfondimenti) - A. Liddle, An Introduction to Modern Cosmology, Wiley (2015) (consigliato per approfondimenti) - Dispense fornite dal docente sul portale della didattica

Slides; Dispense; Esercizi; Esercizi risolti; Video lezioni tratte da anni precedenti; Strumenti di collaborazione tra studenti;

E' possibile sostenere l’esame in anticipo rispetto all’acquisizione della frequenza

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa;

Exam: Written test; Optional oral exam;

... L'esame è finalizzato a verificare le competenze di cui sopra (cfr Risultati dell'apprendimento attesi), accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma, con la comprensione delle connesse applicazioni tecnologiche, e la capacità di elaborare le nozioni teoriche acquisite per la soluzione di problemi. L'esame comprende uno scritto ed un orale facoltativo. Lo scritto consiste in problemi simbolici/numerici e domande di teoria a risposta aperta su tutto il programma, al fine di accertare la capacità di risoluzione di quesiti e calcoli, di verificare un’adeguata conoscenza dei principi dell’interazione nucleare, anche in stretta connessione con le applicazioni tecnologiche, industriali e mediche. Il tempo complessivamente assegnato per la prova è di 1 ora e 45 minuti e per superare lo scritto occorre ottenere un punteggio complessivo pari a 18/30; il punteggio massimo conseguibile con lo scritto è pari a 30/30. Durante lo scritto non si possono portare in aula libri di alcun tipo o appunti del corso. Può essere consentito l’uso di una calcolatrice non programmabile per la soluzione di problemi numerici. Sul portale della didattica verranno caricati dal docente diversi esempi di prove d'esame, alcune con tracce di soluzioni. Nell’ambito delle lezioni, è prevista una simulazione di prova scritta con commenti e correzione dei quesiti. La prova orale è facoltativa, salvo discrezione del docente che convocherà singolarmente gli studenti che necessitano una prova orale integrativa. L'orale riguarda tutti gli argomenti trattati nelle lezioni, al fine di accertare la comprensione dei fenomeni nucleari, della radiazione e connesse applicazioni tecnologiche. L’eventuale prova orale deve essere sostenuta nello stesso appello della prova scritta. Il voto finale consiste nella media aritmetica della valutazione conseguita nella prova scritta e nell'orale.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.