Fisica nucleare

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Tags : fisica nucleare, fisica, scienza

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Fisica nucleare e subnucleare

La fisica nucleare è la branca della fisica che studia il nucleo atomico nei suoi costituenti protoni e neutroni e le loro interazioni.

La fisica nucleare si distingue dalla fisica atomica che invece studia l'atomo, sistema composto dal nucleo atomico e dagli elettroni.

La fisica nucleare si distingue a sua volta dalla fisica delle particelle o fisica subnucleare che invece ha come oggetto lo studio delle particelle più piccole del nucleo atomico. La fisica delle particelle o subnucleare è stata per molto tempo considerata una branca della fisica nucleare. Il termine fisica subnucleare sta cadendo in disuso poiché si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre oggi la maggior parte delle particelle note non sono costituenti nucleari.

L'energia nucleare è la più comune applicazione della fisica nucleare, ma il campo di ricerca è anche alla base di molte altre importanti applicazioni, come in medicina (medicina nucleare, risonanza magnetica nucleare), in scienza dei materiali (implantazioni ioniche) o archeologia (radiodatazione al carbonio).

La fisica nucleare è principalmente divisa in fisica della struttura nucleare, che comprende tutte le teorie riguardanti la formazione, la coesione e le proprietà statiche misurabili dei nuclei (come la loro massa, i loro livelli energetici, i decadimenti ecc.) e fisica delle reazioni nucleari, che studiano i processi in cui due o più nuclei interagiscono collidendo in vario modo per formare altri nuclei, magari emettendo altre particelle, frammentandosi, fondendo o semplicemente cambiando il loro stato di moto.

Le due sottodiscipline sono interconnesse, nel senso che le nostre informazioni sulla struttura ci pervengono quasi unicamente dallo studio delle reazioni e dei decadimenti (naturali o artificiali). Le reazioni nucleari che si manifestano in natura sono i decadimenti radioattivi o trasmutazioni e le reazioni termonucleari che avvengono nelle stelle, generando luce, calore e altre radiazioni. In laboratorio si utilizzano acceleratori di particelle (come ad esempio il generatore di Van de Graaff, i linac, i tokamak, i betatroni o i sincrotroni) per studiare le reazioni nucleari o per ricreare le condizioni del plasma stellare.

La storia dell’atomo ha origini antichissime, già nell’antica Grecia, Democrito (Ipotesi atomica di Democrito) parlava di atomi, come di particelle indivisibili che compongono la materia. Nel XIX secolo vennero scritte le prime teorie riguardanti l’atomo sulla base dei pochi dati sperimentali di allora.

Nel 1897 Joseph John Thomson ipotizzò che l’atomo fosse una sfera omogenea composta da particelle più piccole cariche positivamente e di elettroni senza che però avessero una precisa disposizione nello spazio.

Ernest Rutherford ipotizzò che la massa e la carica elettrica positiva fossero concentrate in una parte molto piccola dell'atomo chiamata nucleo, e che gli elettroni si trovavano nella zona periferica, a grande distanza dal nucleo. Riuscì a dimostrare ciò bombardando una lamina d’oro con particelle alfa (elio) che venivano emesse da polonio radioattivo (scattering Rutherford). Se la teoria di J.J. Thomson fosse stata valida le particelle alfa si sarebbero sempre comportate allo stesso modo, invece alcune particelle superavano la lamina, altre venivano deviate. Rutherford ipotizzò che le particelle deviate dovevano passare vicino al nucleo carico positivamente, mentre quelle che superavano la lamina passavano nello spazio tra il nucleo e gli elettroni. Riuscì a valutare l’angolo di deviazione predisponendo dei riflettori in solfuro di zinco sensibili alle particelle alfa.

Nel 1913 il modello di Rutherford fu migliorato da Niels Bohr il quale sosteneva che gli elettroni ruotassero intorno al nucleo cambiando orbita a seconda se ricevevano o perdevano energia.

L’ultimo modello è il modello quantistico secondo il quale non è possibile sapere con precisione dove si trova l'elettrone ma è possibile determinare in quale luogo andrà con una certa probabilità.

Il modello nucleare a goccia fu ipotizzato nel 1939 da Niels Bohr e da John Archibald Wheeler per spiegare la perdita di massa durante una fissione nucleare (difetto di massa). Quando il nucleo viene colpito da un neutrone si produce un assorbimento di questa particella da parte del nucleo stesso e ciò causa un eccesso di energia che determina un moto oscillatorio (come una goccia di liquido che ha assorbito energia meccanica). Il moto oscillatorio causa quindi un allungamento del nucleo finché questo non si rompe (fissione nucleare).

Il modello a goccia è in grado di spiegare le proprietà del nucleo durante la fissione nucleare, ma non dei singoli nucleoni. Secondo il modello a guscio (shell, o a strati) i nucleoni hanno proprietà simili a quelle degli elettroni intorno al nucleo, ovvero essi si trovano su orbitali dove agiscono forze nucleari attrattive. Quando il numero di neutroni o protoni corrisponde ai cosiddetti "numeri magici" (2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126) i nuclei sono particolarmente stabili, mentre nucleoni successivamente aggiunti risultano debolmente legati (1 - 2 MeV). Secondo il modello a strati, all'interno del nucleo i nucleoni si riuniscono in coppie del tipo n-n e p-p.

Le forze nucleari (o interazioni nucleari) permettono l'esistenza e la trasformazione del nucleo atomico. Le forze nucleari, forza nucleare forte e forza nucleare debole rientrano nel modello standard insieme a interazione elettromagnetica e forza di gravità.

La forza nucleare forte è quella forza che vincendo l'interazione elettromagnetica permette l'esistenza del nucleo. Il nucleo infatti composto da protoni (carichi positivamente) e neutroni (senza carica) non potrebbe esistere a causa dell'interazione elettromagnetica che tende ad allontanare i protoni. I protoni ed i neutroni (chiamati genericamente nucleoni) non sono particelle elementari, ma sono dotate di una struttura interna. I loro componenti, i quark, interagiscono per mezzo dei gluoni a gruppi di tre (barioni), o due (mesoni). L'intensità di questa forza aumenta con l'aumentare della distanza tra quark, come in un elastico. Tuttavia, la maggior parte delle proprietà dei nuclei e della materia nucleare che si trova all'interno delle stelle compatte, come ad esempio le stelle di neutroni, sono descrivibili in termini di una interazione che ha come gradi di libertà solo i nucleoni. Tale interazione è quindi una interazione efficace, ed è generalmente denominata come interazione nucleare. L'interazione nucleare è caratterizzata da tre parti principali: una, valida a piccole distanze che è fortemente repulsiva, una a distanze intermedie dovuta allo scambio di due o più pioni e a quello di mesoni più pesanti del pione, ed infine una a grandi distanze dovuta allo scmabio di un solo pione e chiamata One Pion Exchange Potential (OPEP). Le prime due componenti sono largamente fenomenologiche e non si riesce a tutt'oggi a derivarle partendo direttamente dalla interazione fondamentale esistente tra i quark o più propriamente dal modello standard. Le forze nucleari sono fortemente dipendenti dallo spin dei nucleoni e dalla natura del nucleone, sia esso un protone o un neutrone. Inoltre hanno dei termini importanti che violano la simmetria rotazionale ed altri che sono non locali. Uno di questi è la forza tensoriale, cosí chiamata perché ha la struttura di un tensore nelle variabili che caratterizzano la distanza tra due nucleoni. Questa forza è largamente responsabile del legame che tiene uniti i nucleoni per formare un nucleo, e sta alla base di molte proprietà nucleari. Da più di una decade sappiamo inoltre che l'interazione nucleare deve anche avere forze a tre corpi per poter descrivere le proprietà dei nuclei (il che conferma la sua natura di forza effettiva e non fondamentale). La repulsione a corte distanze, la forte dipendenza dallo spin, la natura tensoriale delle forze a due corpi, la loro non località e le forze a tre corpi rendono molto complessa la risoluzione della equazione di Schroedinger per i nuclei e per la materia nucleare. Questa è infatti materia di un importante campo di ricerca che si chiama problema nucleare dei molti corpi. Dato il carattere prettamente fenomenologico della interazione nucleare, questa deve essere determinata riproducendo tutti i dati sperimentali di bassa energia che caratterizzano il sistema di due nucleoni e le proprietà dei nuclei. Ciò tuttavia non porta univocamente ad una interazione nucleare. Esistono infatti varie interazioni nucleari che prendono il nome dalle città o dai laboratori in cui sono state derivate (Argonne, Urbana, Parigi, Bonn, etc.. ). Tutti queste interazioni fenomenologiche riproducono molto bene le proprietà del deutone e i dati di scattering nucleone-nucleone fino a circa 400 MeV e abbastanza bene le proprietà di bassa energia dei nuclei leggeri. Sembrano tuttavia non adeguate per descrivere le proprietà della materia nucleare a medie e medio-alte densità, che invocano forze a più di tre corpi e/o delle correzioni relativistiche. Per non parlare delle alte densità dove avvicinandoci alla transizione quark-glon plasma, un modello di interazione basato sui gradi di libertà nucleonici non va più bene.

L'interazione debole può avvenire tra leptoni e quark (interazioni semileptoniche), tra soli leptoni (interazioni leptoniche) o tra soli quark (interazioni non leptoniche), grazie allo scambio, secondo Modello Standard della fisica delle particelle, di bosoni vettori molto massivi, detti W± e Z0. Poiché tutti i leptoni sono interessati dagli effetti dell'interazione debole, risulta che essa è la sola forza che interviene sui neutrini negli esperimenti di laboratorio, per i quali la gravità è trascurabile. La forza debole è la responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone o viceversa, con l'emissione di elettroni (radiazione beta) e neutrini.

Nel neutrone iniziale composto di due quark down e un quark up, un quark down emette un bosone W − , per interazione della forza nucleare debole, trasformandosi in quark up (quindi il neutrone è diventato un protone). Il bosone W decade in un elettrone e in un antineutrino che si allontanano dal nucleo.

La radioattività, o decadimento dell'atomo, è quel fenomeno per cui atomi instabili perdono materia per diventare stabili (e quindi con una massa più piccola). La radioattività è molto pericolosa per gli esseri viventi perché le particelle rilasciate possono modificare la struttura delle cellule. In medicina le radiazioni vengono usate per curare tumori o per osservare l'interno del corpo umano. Il tempo di decadimento è inversamente proporzionale alla perdita di massa dell'atomo e varia per ogni elemento.

Si considerino, per fissare le idee, due scatole di scarpe senza coperchio identiche e incollate fra loro. In una si mettano un po' di palline che chiameremo neutroni, nell'altra un po' di palline che chiameremo protoni. Le prime hanno una massa leggermente maggiore, mentre le seconde possiedono una debole carica elettrica (debole rispetto alla forza nucleare).

Per simulare l'elevata temperatura del nucleo atomico, si agitino le scatole. Può succedere talvolta che una pallina cada fuori e finisca sul pavimento (radioattività alfa), oppure che passi da una scatola all'altra (radioattività beta), o ancora che finisca sul bordo, resti in equilibrio un po' e poi torni in una scatola (radioattività gamma).

Nel decadimento alfa l'atomo perde una particella α cioè un atomo di elio privo dei suoi elettroni (due protoni e due neutroni). Il decadimento α non è molto forte e basta un foglio di carta per bloccare una particella α. Il radio (Ra226) è instabile e tende a perdere due neutroni e due protoni trasformandosi in Radon (Rn222).

La radioattività beta si verifica quando il numero di protoni e il numero di neutroni in un nucleo sono molto diversi fra loro. Accade allora che uno o più nucleoni si trasformi in un nucleone dell'altra famiglia per riequilibrare il nucleo. Durante la trasformazione viene emesso un elettrone, tuttavia durante il passaggio si deve avere conservazione della carica elettrica, della massa-energia e dello spin. Negli esperimenti risultava sempre una perdita di energia.

Nel 1927 Pauli ipotizza l'esistenza del neutrino che "porti" l'energia mancante. Nel 1933 Fermi sostiene che la coppia elettrone-neutrino sia causata dalla forza nucleare debole.

Il decadimento gamma è una radiazione elettromagnetica ad alta frequenza. Essa non consiste nell'emissione di materia ed è provocata dall'annichilimento di un elettrone e un positrone. Essendo una radiazione ad alta frequenza è molto pericolosa e penetrante, per fermarla occorrono diversi centimetri di piombo.

Una reazione nucleare è un tipo di trasformazione della materia che, a differenza di una reazione chimica, riguarda il nucleo di un atomo di uno specifico elemento chimico, che viene convertito in un altro.

La conversione avviene quando l'atomo perde o guadagna alcuni protoni, assorbendo o rilasciando in queste trasformazioni grandi quantità di energia. Più precisamente, nelle reazioni nucleari i nuclei dei reagenti sono diversi dai nuclei dei prodotti finali, che possono quindi essere sia degli isotopi (cioè atomi dello stesso elemento chimico quindi con lo stesso numero atomico, ma con differente numero di massa), dei reagenti iniziali sia elementi chimici completamente differenti. L'energia minima necessaria che deve possedere un reagente, affinché la reazione abbia luogo, deve almeno eguagliare l'energia di barriera.

Le principali reazioni nucleari sono la fissione nucleare, la fusione nucleare e l'annichilazione dell'antimateria: nella prima avviene una divisione di uno o più atomi, nella seconda l'unione di due o più atomi. (La fissione nucleare è alla base della tecnologia dell'energia nucleare, la seconda è alla base della emissione di energia delle stelle). L'ultima invece avviene quando una particella e la sua antiparticella entrano in contatto trasformandosi completamente in energia.

La fusione nucleare è un processo fisico ritrovabile in natura, ad esempio negli astri luminosi (stelle). Tale reazione nucleare è caratterizzata dalla fusione (da cui il nome) di due atomi di massa irrisoria (solitamente isotopi). Durante il processo di fusione parte della massa dei due atomi viene convertita in calore e luce in quantità estremamente alte. Questo processo nucleare nasce con esperimenti avvenuti durante gli anni Sessanta in tempo di guerra fredda, in risposta alla corsa agli armamenti e al clima di instabilità politica. Il primo utilizzo fu quello a scopo militare con la creazione della Bomba H (o bomba a idrogeno): essa prevedeva una reazione termonucleare dovuta alla fusione di due isotopi di idrogeno. Il problema che riscontrarono i progettisti coinvolgeva però l'innesco della reazione di fusione, infatti tale reazione risulta possibile solamente a temperature che sfiorano i milioni di gradi centigradi, per risolvere il problema l'innesco della Bomba H fu costruito all'interno di una classica bomba nucleare a fissione che, fornendo temperature estremamente alte, poteva innescare la reazione di fusione nucleare. Tali ordigni vennero sviluppati a partire dagli anni Sessanta nei territori delle superpotenze USA e URSS. L'applicazione civile di tale tecnologia risulta essere impraticabile, in quanto le alte temperature scaturite dalla stessa risultano incompatibili con qualsiasi materiale naturale o artificiale, infatti sono in fase di studio tecniche di fusione a freddo per la produzione di elettricità, anche se l'interesse mondiale per questa forma di produzione energetica poco inquinante pare non essere molto accentuato. Va fatto presente che i prodotti delle reazioni termonucleari di fusione atomica originata da isotopi di idrogeno, presenti in quantità quasi illimitate sulla Terra, sono del tutto innocui a qualunque forma di vita. Alcuni teorici però affermano che i processi di fusione nucleare controllata siano già stati sperimantati con successo, solo che la divulgazione scientifica ancora non afferma di poter utilizzare tale tecnica.

La fissione nucleare è il processo di scissione di atomi pesanti (con elevato numero atomico) instabili che porta alla formazione di due atomi più leggeri e stabili. Questo processo(indotto dall'uomo)sprigiona un'enorme quantità di energia data dalla differenza di massa tra l'atomo di partenza e i prodotti finali. La fissione ha inizio con la cattura di un neutrone(il quale essendo neutro non viene deviato dalle varie cariche)da parte del nucleo, che diventando instabile si divide in due parti e rilascia almeno due neutroni che colpiscono altri nuclei pesanti generando una reazione a catena.

L'annichilazione avviene quando una particella collide con un'antiparticella. Nel processo entrambi le particelle spariscono, e la loro massa si trasforma in energia che si manifesta con l'emissione di nuove particelle o radiazione.

I possibili prodotti dell'annichilazione dipendono dal tipo di interazione che può avvenire tra le particelle iniziali e dalla loro cinematica.

L'elenco delle particelle che sono state identificate, denominate e studiate con l'uso combinato di processi verificatisi in raggi cosmici ed in acceleratori di particelle fa salire il numero totale delle particelle a varie decine.

Dall'esame di queste particelle si è visto che esse sono stabili oppure si disintegrano spontaneamente (cioè decadono) con una vita media caratteristica. Per qualche tempo (intorno agli anni 1970) i fisici hanno chiamato risonanze quelle particelle che decadono in tempi inferiori a 10-23s (decadimento forte). Il termine è andato in disuso con la progressiva accettazione del modello standard.

I fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli: due fermioni identici non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantico.

I bosoni, che seguono la Statistica di Bose-Einstein, sono invece liberi di affollare lo stesso stato quantico.

In fisica delle particelle, i bosoni di gauge sono particelle elementari che hanno il compito di trasportare le forze fondamentali della Natura.

La Cromodinamica Quantistica (QCD) è una teoria fisica che descrive una delle forze fondamentali: l'interazione forte. È stata proposta per la prima volta nei primi anni Settanta da Frank Wilczek e David Gross. Usa la teoria quantistica di campo per descrivere l'interazione tra quark e gluoni. Il nome deriva per analogia con la QED, Quantum ElectroDynamics (elettrodinamica quantistica).

Secondo il Modello Standard la materia è costituita da particelle dette fermioni che interagiscono fra loro grazie alle interazioni fondamentali mediate da altre particelle elementari dette bosoni. I fermioni sono raggruppati in tre famiglie: la prima, composta dai quark e dai leptoni di massa minore, contiene il quark up e down, l'elettrone, il suo neutrino, e le proprie antiparticelle. I quark up e down si combinano tra loro in gruppi di tre quark per formare i barioni che comprendono i protoni e neutroni, e in gruppi di due per formare i mesoni. Il protone è formato da due quark UP e un DOWN con carica totale di +1. Un neutrone, invece, è formato da due quark DOWN e un quark UP, che danno carica totale pari a zero. I barioni insieme ai mesoni sono classificati nella famiglia degli adroni. Si ritiene che i quark non esistano da soli ma solo in gruppi di due o tre (e, più recentemente, cinque); tutte le ricerche di quark singoli, fin dal 1977 hanno avuto esito negativo. Le altre varietà di quark possono essere prodotte solo negli acceleratori di particelle, e decadono rapidamente in quark UP e DOWN e nei cosiddetti quark CENTER, se la carica di energia raggiunge +2/3 e resta costante.

In fisica, i gluoni sono le particelle elementari, responsabili della forza nucleare forte. Essi tengono uniti assieme i quark, per formare protoni e neutroni; la loro carica elettrica è zero, il loro spin è 1, generalmente si assume che abbiano massa zero. I gluoni sono responsabili della stabilità del nucleo atomico.

Una loro combinazione si chiama glueball, palla di colla, gioco di parole con gluone, colla e palla.

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Istituto nazionale di fisica nucleare

Logo dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

L’istituto nazionale di fisica nucleare, in sigla INFN, è l’istituto italiano che promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare, nonché lo sviluppo tecnologico necessario alle attività in tali settori. Opera in stretta connessione con l’Università e nell’ambito della collaborazione e del confronto internazionale.

L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha sede in Roma presso il cinquecentesco Palazzo Lante, in Piazza dei Caprettari 70.

L'attività dell'INFN si basa su due tipi di strutture di ricerca complementari: le Sezioni e i Laboratori Nazionali, più un Centro Nazionale per le attività di calcolo (il CNAF a Bologna). Le 20 Sezioni e i 9 Gruppi collegati hanno sede in dipartimenti universitari e realizzano il collegamento diretto tra l'Istituto e le Università. I quattro Laboratori, con sedi a Catania (LNS), Frascati LNF, Legnaro (LNL) e Gran Sasso (LNGS sito), ospitano grandi apparecchiature e infrastrutture messe a disposizione della comunità scientifica nazionale e internazionale. I Laboratori Nazionali di Frascati, che sono i più grandi, ospitano il collisore elettroni-antielettroni DAΦNE (Double Annular Φfactory for Nice Experiments), che fino all'accensione dell'LHC sarà l'unico acceleratore del suo genere ad essere attivo in Europa. Il personale dell'INFN conta circa 2000 dipendenti propri, quasi 2000 dipendenti universitari coinvolti nelle attività dell'Istituto e 1300 giovani tra laureandi, borsisti e dottorandi.

L'organizzazione dell'Istituto si propone di rappresentare un efficace equilibrio fra gestione centralizzata e decentralizzata ed è frutto di consuetudini consolidate negli anni. L'organo decisionale dell'Istituto è il Consiglio Direttivo, costituito dal Presidente e dalla Giunta Esecutiva, dai quattro Direttori dei Laboratori Nazionali e 20 Direttori delle Sezioni, da rappresentanti del MURST, del Ministero dell'Industria, del CNR e dell'ENEA. L'attuazione delle decisioni del Consiglio compete, secondo i casi, al Presidente, alla Giunta, ai Direttori di Laboratorio o di Sezione per l'organizzazione delle attività a livello locale, il tutto con l'ausilio dei dirigenti dell'Amministrazione Centrale.

L'INFN si è dotato di una Commissione Nazionale per la Formazione Esterna e il Trasferimento Tecnologico (CTT), di una Commissione Calcolo e Reti (CRR), nonché di un Comitato per le Pari Opportunità (CPO). L'attività scientifica dell'Istituto viene valutata da un Comitato di Valutazione Interno (CVI).

L'INFN venne istituito l'8 agosto 1951 da gruppi delle Università di Roma, Padova, Torino e Milano al fine di proseguire e sviluppare la tradizione scientifica iniziata negli anni '30 con le ricerche teoriche e sperimentali di fisica nucleare di Enrico Fermi e della sua scuola.

Nella seconda metà degli anni '50 l'INFN progettò e costruì il primo acceleratore italiano, l'elettrosincrotrone realizzato a Frascati dove nacque il primo Laboratorio Nazionale dell'Istituto. Nello stesso periodo iniziò la partecipazione dell'INFN alle attività di ricerca del CERN, il Centro europeo di ricerche nucleari di Ginevra, per la costruzione e l'utilizzo di macchine acceleratrici sempre più potenti.

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Istituto di fisica nucleare Budker

L'istituto Budker d'inverno

L'Istituto di fisica nucleare Budker è uno dei maggiori centri di ricerca avanzata di fisica nucleare della Russia. Si trova sulla prospettiva Lavrentiev nella cittadina di Akademgorodok accanto alla città di Novosibirsk, in Siberia.

Il titolo ufficiale in russo è Институт Ядерной Физики имени Будкера (Сибирского Отделения Российской Академии наук) o abbreviato ИЯФ (СО РАН).

Fu fondato nel 1959 da Gerš Itskovič Budker. Dopo la sua morte nel 1977 l'istituto cambiò il nome in suo onore.

Malgrado il suo nome, il centro non è coinvolto nella ricerca nucleare militare, né cura la realizzazione di reattori nucleari. La sua attività è invece concentrata sulla fisica delle alte energie e la fisica delle particelle. Nel 1961 fu messo in operazione VEP-1, il primo acceleratore di particelle nel mondo che faceva collidere due fasci di particelle subatomiche. L'Istituto contribuisce alla costruzione del Large Hadron Collider del CERN mettendo a disposizione equipaggiamento, compresi i magneti per guidare i fasci di particelle.

Il centro impiega circa 3000 persone: 440 ricercatori, 60 ricercatori dottorandi, 760 ingegneri, 350 tecnici di laboratorio e 1300 lavoratori. Fra i collaboratori dell'istituto Budker ci sono 5 accademici dell'Accademia Russa delle Scienze, 6 membri corrispondenti, 60 dottori di scienza, 160 dottori di ricerca. L'istituto viene diretto dal consiglio scientifico - chiamato "Tavola rotonda" - e collabora in ricerca ed istruzione con l'Università statale di Novosibirsk che si trova accanto.

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Source : Wikipedia