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    Carlo SABBARESE

    Insegnamento di LABORATORIO DI FISICA MODERNA

    Corso di laurea magistrale in MATEMATICA

    SSD: FIS/01

    CFU: 8,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 80,00

    Periodo di Erogazione: Secondo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Analisi statistica dei dati sperimentali.
    Introduzione alla fisica quantistica.
    Elementi di Fisica atomica. Semiconduttori.
    Elementi di Fisica Nucleare.
    Radiazione ionizzante e non ionizzante Radon.
    Fisica degli isotopi.

    Testi di riferimento

    1. Mazzoldi, Nigro, Voci, Principi di Fisica, Vol II EdiSES
    2. Filatrella G., Romano P., Elaborazione statistica dei dati sperimentali con elementi di laboratorio, EdiSES
    3. Jewett e Serway, Principi di Fisica, Vol II, Quarta Edizione, EdiSES.
    4. Appunti del docente del corso.

    Obiettivi formativi

    Acquisire una conoscenza basilare della teoria della crisi della fisica classica e della nascita e dei principi della fisica quantistica nonché approfondire la conoscenza sull’analisi dei dati sperimentali ottenuti da sistemi più complessi che applicano i principi di fisica moderna.
    Con questo corso s‘intende introdurre lo studente all’apprendimento dei metodi ed apparati sperimentali più moderni e complessi di quelli utilizzati nei laboratori della Fisica generale, approfondire la conoscenza sull’analisi dei dati sperimentali, ed applicare praticamente principi di fisica moderna.
    Lo studente, acquisendo una più completa visione della fisica e delle sue applicazioni, potrà comunicare, ed eventualmente insegnare la disciplina, con un più ampio inquadramento generale.

    Prerequisiti

    Fisica generale 1 e Fisica generale 2

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali, esercitazioni numeriche una aula e attività di laboratorio.

    Metodi di valutazione

    La modalità di verifica sarà basata sulle relazioni relative alle attività di laboratorio svolte durante il corso, su un test a risposta chiusa eseguito a fine corso e su un colloquio orale di verifica dell’acquisizione dei contenuti del corso. La valutazione di ogni prova sarà espressa con voti in trentesimi ed il voto finale sarà ottenuto dalla media pesata dei voti nelle tre prove; il peso sarà 0.40 per le relazioni e per il colloquio e 0.20 per il test.

    Programma del corso

    PROGRAMMA
    1. Analisi statistica dei dati sperimentali. Misure e incertezze. Distribuzione dei dati e rappresentazione con errori. Fit dei dati. Stima dei parametri di una distribuzione. Test delle ipotesi statistiche.
    2. Introduzione alla fisica quantistica. Radiazioni del corpo nero e la teoria di Planck. Effetto fotoelettrico. Effetto Compton. Fotoni e onde elettromagnetiche. Proprietà delle onde delle particelle. La particella quantistica. Il principio di indeterminazione. La particella quantistica soggetta a condizioni al contorno. L'equazione di Schrodinger. Effetto tunnel.
    3. Fisica atomica. Il primo modello strutturale dell'atomo. L'atomo di idrogeno e le funzioni d'onda. L'interpretazione fisica dei numeri quantici. Il principio di esclusione e la tavola periodica. Spettri atomici. Radiazioni visibili e raggi X
    4. Fisica nucleare. Proprietà dei nuclei. Energia di legame. Stabilità nucleare. Radioattività. I processi di decadimento radioattivo (alfa, beta). Emissioni gamma. Datazione con il carbonio. Reazioni nucleari. Forze fondamentali nella natura. Introduzione alla fisica delle particelle.
    5. L'utilizzo di diodi semiconduttori come rivelatore di radiazioni. Fotodiodi. Cella fotovoltaica.
    6. Radiazione ionizzante e non ionizzante e caratteristiche generali dei sistemi di rilevazione. Decadimento radioattivo. Interazione di raggi gamma e particelle alfa con materia. Sezione d’urto. Potere d’arresto. Attività, attività specifica e dose da radiazioni. Rivelatori a film, scintillazione, ionizzazione del gas, semiconduttore. Efficienza intrinseca e geometrica di un rivelatore. Sistemi e metodi di spettrometria gamma e di spettrometria alfa.
    7. Radon: origine, effetti sulla salute, uso in geofisica e la sua misurazione con vari metodi. Rivelatori che utilizzano il campo elettrostatico e il rilevatore alfa al silicio, i carboni attivi, le tracce nucleari, gli elettreti.
    8. Fisica degli isotopi: frazionamento isotopico, notazione δ, misurazione delle abbondanze isotopiche. Metodi di misura con l'utilizzo di spettrometria di massa.

    Attività di laboratorio

    1.Caratterizzazione di una cella fotovoltaica e di un diodo.
    2. Determinazione elementale qualitativa e quantitativa della composizione di monete o pigmenti con la tecnica di fluorescenza a raggi X.
    2. Misurazione dell'efficienza geometrica ed intrinseca di un rivelatore di germanio ad alta purezza per la rilevazione dei raggi gamma. Calibrazione energia-canale.
    3. Determinazione del coefficiente di assorbimento dei raggi gamma di vari materiali a diverse energie con l'uso di un rivelatore di germanio.
    4. Misurazione dell'efficienza geometrica ed intrinseca di un rivelatore alfa al silicio. Calibrazione energia-canale e valutazione del potere di arresto delle particelle alfa in aria.
    6. Misurazione di rapporti isotopici con l'impiego di un sistema di spettrometria di massa.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Statistical analysis of experimental data.
    Introduction to quantum physics.
    Elements of atomic physics. Semiconductors.
    Elements of Nuclear Physics.
    Radon ionizing and non-ionizing radiation.
    Isotope physics.

    Textbook and course materials

    1. Mazzoldi, Nigro, Voci, Principi di Fisica, Vol II EdiSES
    2. Filatrella G., Romano P., Elaborazione statistica dei dati sperimentali con elementi di laboratorio, EdiSES
    3. Jewett e Serway, Principi di Fisica, Vol II, Quarta Edizione, EdiSES.
    4. Notes of the teacher of the course

    Course objectives

    Acquire a basic understanding of the theory of the crisis of classical physics and the birth and principles of quantum physics as well as deepen knowledge on the analysis of experimental data obtained from more complex systems that apply the principles of modern physics.
    This course aims to introduce the student to the learning of more modern and complex experimental methods and apparatus than those used in General Physics laboratories, to deepen knowledge on experimental data analysis and to apply virtually the principles of modern physics.
    By acquiring a more complete vision of physics and its applications, the student will be able to communicate, and possibly teach discipline, with a broader general framework.

    Prerequisites

    General physics 1 and 2

    Teaching methods

    Lectures, numerical exercises in the classroom and laboratory activities.

    Evaluation methods

    The verification method will be based on the reports relating to the laboratory activities carried out during the course, on a closed-ended test carried out at the end of the course and on an oral interview to verify the acquisition of the course contents. The evaluation of each test will be expressed in marks out of thirty and the final grade will be obtained from the weighted average of the votes in the three tests; the weight will be 0.40 for the reports and for the interview and 0.20 for the test.

    Course Syllabus

    SYLLABUS

    1. Statistical analysis of experimental data. Measures and uncertainties. Data distribution, Data fit. Parameter estimation of a distribution. Testing statistical hypotheses.
    2. Introduction to the quantum physics. Blackbody radiation and Planck's theory. Photoelectric effect. Compton effect. Photons and electromagnetic waves. Wave properties of the particles. The quantum particle. The uncertainty principle. The quantum particle subjected to the boundary conditions. The Schrodinger equation. Tunnel effect.
    3. Atomic physics. The first structural model of the atom. The hydrogen atom and the wave functions. The physical interpretation of quantum numbers. The exclusion principle and the periodic table. Atomic spectra. Visible radiation and X-ray
    4. Nuclear physics. Properties of nuclei. Binding energy. Nuclear stability. Radioactivity. The radioactive decay processes (alpha, beta). Gamma emissions. Dating with carbon. Nuclear reactions. Fundamental forces in nature. Introduction to particle physics.
    5. The use of semiconductor diodes as detector of radiation. Photodiodes. Photovoltaic cell.
    6. Ionising and non ionising radiation and general features of detection systems. Radioactive decay. Interaction of gamma-rays and alpha particles with matter. Cross section. Stopping power. Activity, specific activity and doses. Detectors film, scintillation, ionization of the gas, semiconductor. Intrinsic and geometric efficiency of a detector. Gamma spectrometry and alpha spectrometry systems and methods.
    7. Radon: origin, health effects, use in geophysics and its measurement by various methods. Detectors using electrostatic field and silicon alpha detector, active carbon, nuclear tracks, electrets.
    8. Physics of isotopes: isotopic fractionation, δ notation, measurement of isotopic abundances. Methods of measurement with the use of mass spectrometry.

    Laboratory activities

    1. Characterization of a photovoltaic cell.
    2. Qualitative and quantitative elemental determination of coin or pigment composition by X-ray fluorescence.
    3. Measurement of the geometric and intrinsic efficiency of a high purity germanium detector for gamma rays detection. Calibration energy-channel.
    4. Determination of the coefficient of absorption of gamma rays of various materials at different energies with the use of a germanium detector.
    5. Measurement of the geometric and intrinsic efficiency of a silicon alpha detector. Calibration energy-channel and determination of the alpha stopping power in air.
    6. Measurement of isotopic ratios with the use of a mass spectrometry system.

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