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Física Nuclear e Partículas
Código: 34739
ECTS: 6
Ano Letivo: 2015/16
Carga horária: T: 3:00 h; TP: 1:00 h; PL: 1:00 h; OT: 1:00 h;
Departamento: Física
Área Científica: ; Física; Objetivos da Unidade Curricular
Apresentar uma visão geral sobre as áreas de Física Nuclear e Física de Partículas, lecionando os conceitos básicos de forma a servir de introdução a este
campo da Física.
Pré-requisitos
Física Moderna (33982)
Mecânica Quântica (34415)
Conteúdos
1. Introdução
2. Leptões, Quarks e Hadrões
3. Interacção da radiação com a matéria
4. Simetrias
5. Hadrões: Números Quânticos e Estados Excitados
6. Interacção Fraca: Os bosões W e Z0
7. Física dos Neutrinos
8. Fenomenologia Nuclear
9. O Núcleo: Propriedades dos Estados Fundamental e Excitados
10. Radioactividade: Decaimento Alfa; Decaimento Beta
Descrição detalhada dos conteúdos programáticos
Componente Teórica
1. Introdução: Propriedades gerais de leptões e quarks. Propriedades gerais dos núcleos. Equação de Dirac. Teoria de buracos e a postulação do positrão.
Introducção aos diagramas de Feynmann. Leis de conservação e violação dos processos básicos. Alcance das forças.
2. Leptões, Quarks e Hadrões: Leis de conservação associadas ao nº leptónico. Postulação e determinação experimental da existência dos neutrinos. Outras
gerações leptónicas. Universalidade do decaimento leptónico. Interacção forte e partículas que interagem fortemente. Númoros quânticos associados aos
quarks. Piões e nucleões. Partículas estranhas, com charme, e com beleza.
3. Interacção da radiação com a matéria: Interacção para partículas pessadas e carregadas, interacção de electrões, interacção de radiação eletromagnética,
interação de neutrões.
4. Simetrias: Simetrias espaço-temporais. Invariância translacional e conservação do momento linear. Leis de conservação em mecânica quântica.
Invariância rotacional. Conservação de momento angular orbital para partículas sem spin. Definição de momento angular total. Matrizes de spin de Pauli.
Conservação do momento angular total para partículas com spin. Notação espectroscópica. O momento angular dos quarks. Transformação de paridade.
Conservação da paridade em processos eletromagnéticos e fortes. Paridade de leptões, antileptões, e quarks. Paridade do fotão. Conjugação da carga. Cparidade do pi0, da eta e do fotão. Reversão do tempo.
5. Hadrões: Números Quânticos e Estados Excitados: Isospin de bariões e mesões mais leves. Exemplo de tripleto de isospin. Resonâncias hadrónicas. A cor
dos quarks. Cromodinâmica Quântica.
6. Interacção Fraca: Os bosões W e Z0. Interações EM, forte e fraca. Diagramas de Feynmann, noção de vértice e constante de acoplamento. Teoria de Fermi
da interação fraca. Motivação para hipótese de bosão W. Comportamento a altas e baixas energias. Intensidade da interação fraca. Mistura de sabores e
matriz de Cabbibbo e CKM. Correntes neutras e o bosão Z0. Violação da paridade.
7. Física dos Neutrinos. Helicidade dos neutrinos e experiência de Goldhaber. Descoberta dos neutrinos. Neutrinos atmosféricos. Oscilação de neutrinos. O
problema dos neutrinos solares e a sua solução pela experiência SNO.
8. Fenomenologia Nuclear: Revisão de conceitos gerais sobre os núcleos. Factor de forma. Análise da dispersão de electrões em núcleos. Distribuição de
carga no núcleo. Massa dos núcleos. Energia de ligação nuclear. Fórmula semiempírica de massas. A parábola de massas. A tabela de nuclídeos.
9. O Núcleo: Propriedades dos Estados Fundamental e Excitados. Existência de números mágicos em núcleos. Modelo de camadas para vários potenciais.
Acoplamento spin-órbita. Modelo de partícula independente extremo. Estado fundamental, momento angular total e paridade. Notação espectroscópica
das camadas. Descrição de estados excitados de nucleões individuais. Excitação colectiva de núcleos par-par. Carateristicas do decaimento gama.
10. Radioactividade: Decaimento Alfa. Descrição e características cinemáticas. Fenomenologia e dedução da vida media do decaimento alfa. Regras de
seleção. Espectroscopia alfa, e combinação com espectroscopia gama. Decaimento Beta. Descrição e características cinemáticas. Teoria de Fermi e dedução
da forma do espectro de emissão para partículas beta. Espectroscopia beta e combinação com espectroscopia gama.
Componente Teórica-Prática
Resolução e discussão de problemas sobre os tópicos do programa
Componente Prática
Realização de 3 experiências escolhidas entre as seguintes possibilidades:
1. Medição do tempo de meia-vida do Pa-234m
2. Espectros de fotões com detectores de cintilação
3. Determinação da actividade de uma fonte radioactiva
4. Atenuação de fotões em meios materiais
5. Interacção de partículas alfa com a matéria
6. Dependência angular do fluxo de muões cósmicos
7. Simulação do decaimento do mesão pi
Bibliografia
Recomendada
• B.R. Martin, Nuclear and Particle Physics, John Wiley & Sons, 2006.
• W.S.C. Williams, Nuclear and Particle Physics, Oxford University Press 1992.
• K.S. Krane, Introductory Nuclear Physics, John Wiley & Sons, 1988.
Outros elementos de estudo
Slides de apoio, projetados nas aulas teóricas e disponibilizados na plataforma moodle. Estes slides foram elaborados pelo docente da unidade curricular.
Métodos de Avaliação
Exame final escrito ou dois testes escritos (70%). Realização obrigatória das práticas laboratoriais com apresentação de relatórios escritos (30%).
Língua de ensino
Português