Física Nuclear
3º ano do curso Licenciatura em Física
Quatro tipos de interacções na natureza. Constituintes da matéria (breve
revisão): átomo de Rutherford, núcleo atómico, nucleões. Leis de conservação.
Classificação das partículas "elementares": hadrões (bariões, mesões) e
leptões; quarks; mesões do campo. Alguns características das partículas.
Teorias de unificação.
Radioactividade: descoberta, aletoriedade, três tipos de decaimento: α, β e γ.
+
Balanço energético. Radioactividade (continuação): β
e β , captura
electrónica, emissão de outras partículas (p, n, 12C etc.), cisão e fusão nuclear.
Diagramas de decaimento. A lei de decaimento radioactivo. Constante de
decaimento, tempo de vida média, período de semi-desintegração. Actividade.
Branching ratio. Métodos experimentais de medição do período de semidesintegração. Origem dos isótopos radioactivos na natureza. Datação com
carbono-14. Elementos da teoria de decaimento radioactivo, estados
estacionários e não estacionários. Decaimento como pequena perturbação no
potencial. Regra de ouro de Fermi. Vida média e largura dos estados não
estacionários.
Dispersão de partículas: conceito de secção eficáz. Dispersão de Rutherford
em aproximação de Born. Noção sobre fórmula de Mott para dispersão de
partículas relativistas com spin ½. Noção sobre factor de forma do núcleo.
Forma do núcleo. Distribuição de carga eléctrica no núcleo. Alguns métodos
experimentais de medição do raio do núcleo (isotópic shift em átomos
muónicos; energia de ligação em núcleos espelhos). Distribuição da matéria
nuclear no núcleo e alguns métodos experimentais de determinação do raio do
núcleo (breakdown da fórmula de Rutherford; decaimento alpha; raios X em
átomos π-mesónicos).
Propriedades da força nuclear: i) independência da carga eléctrica (dispersão
p-p e n-p), ii) curto alcance, iii) saturação da força nuclear. Massa do núcleo.
Energia de ligação de um núcleo. Defeito de massa. Energia de ligação por
nucleão em função do número de massa A. Cisão dos núcleos pesados e fusão
dos núcleos leves. Energia de separação de um nucleão. Energia de ligação
por nucleão e a saturação da força nuclear. Forças de troca. Teoria de Yukawa,
mesões de troca π±, π0 .
Modelo de gota líquida. Fórmula semi-empírica de massa (fórmula de
Weizsäcker), significado físico dos termos da equação; termo de assimetria,
energia de emparelhamento. Exemplo: Previsão do modelo para a estabilidade
em relação do decaimentos beta (M=f(Z), A=const; curvas de variação de
massa; decaimento beta+, beta-, captura electrónica, double-beta decay).
Outras previsões do modelo: a curva de estabilidade nuclear (Zest =f (A)),
regiões de instabilidade (em relação de β, p, n, α, cisão). Sucessos e limitações
do modelo.
Modelo do gás de Fermi. Presupostos do modelo e a sua justificação física.
Densidade de estados, momento linear de Fermi, energia de Fermi, energia
média dos nucleões no núcleo, independência da profundidade do poço
potencial de um núcleo do número atómico. Previsão do termo de assimetria
em fórmula de Weizsäcker.
Decaimento α. Sistemática dos dados experimentais, regra de Geiger-Nutall.
Teoria do decaimento α: travessia da barreira Colombiana. Factor de Gamov:
cálculo. Comparação da teoria com dados experimentais, discussão das
suposições da teoria. O efeito da forma do núcleo (núcleo não esférico). Papel
da barreira centrífuga. Regras de selecção: conservação do momento angular
e da paridade. Outros processos com tunelamento - emissão dos núcleos mais
pesados do que 4He, cisão nuclear. Cadeias radioactivas, quatro famílias de
radioisótopos.
Modelo em camadas: números mágicos, observações experimentais que
indicam a existência dos números mágicos, comparação com átomo.
Suposições básicas do modelo em camadas, comparação dos potenciais
(rectangular, oscilador harmónico, Saxon-Woods), o papel da barreira
centrífuga, interacção spin-órbita. Configurações nucleónicas - nomenclatura
dos estados de um nucleão (comparação com física atómica), spin e paridade
do núcleo, previsões do modelo em camadas para JP do estado fundamental
(núcleos par-par, par-ímpar e ímpar-ímpar), núcleos mágicos e duplamente
mágicos. Previsões do modelo para o estado fundamental (continuação) e
Momento quadripolar
estados excitados. Momento dipolar magnético.
eléctrico, núcleos deformados, excitações colectivas.
Transições electromagnéticas: tipos de transições (eléctricas, magnéticas,
multipolaridade), conservação do momento angular e da paridade, regras de
selecção. Probabilidades de transições E1 e M1. Isomerismo. Conversão
electrónica. Transições 0 --> 0.
Interacção fraca. Sistemática dos leptões. Conservação do número leptónico.
Neutrinos. Decaimento beta, captura electrónica: balanço energético.
Exemplos. Decaimento do neutrão no modelo padrão. Bosões do campo W e
Z0. Decaimento 2β com e sem emissão de neutrinos. Noção sobre os
diagramas de Feynman para os processos electromagnéticos e fracos. Modelo
de Fermi do decaimento beta. Cálculo da forma do espectro das partícular
beta. Diagrama de Fermi-Kurie. Massa do neutrino. Regras de selecção para JP
dos núcleos. Classificação de transições: transições de Fermi e de GamovTeller, allowed transitions, forbidden transitions, super-allowed transitions.