ISTITUZIONE DI STRUTTURA DELLA MATERIA

Il corso si propone di descrivere e analizzare alcuni esperimenti e modelli particolarmente significativi per il ruolo da essi giocato nella nascita e nello sviluppo della fisica moderna e della meccanica quantistica. Verranno inoltre presentate le teorie e gli elementi introduttivi della fisica atomica, molecolare e della materia condensata.

Il corso viene svolto con lezioni frontali in aula e prevede l'ausilio di diversi esercizi per approfondire gli argomenti trattati.

Conoscenza degli argomenti trattati nei corsi di Fisica Generale 1 e Fisica Generale 2.

La frequenza alle lezioni è obbligatoria.

Elettroni e fotoni

L’elettrone - Misura del rapporto e\m - La natura atomica della materia - Distribuzione di Maxwell-Boltzmann- Radiazione termica di corpo nero - Leggi di Stefan-Boltzmann e di Wien - Ipotesi di Planck - Radiazione di fondo dell’universo - Effetto fotoelettrico - Esperienza di Millikan – Concetto di fotone - Raggi X e radiazione di frenamento - Diffrazione di raggi X da cristalli - Relazione di Bragg - Effetto Compton - Creazione e annichilazione di coppie elettrone-positrone.

Atomi

I moti Browniani e gli esperimenti di Perrin – L’esperimento di Geiger e Marsden - Scattering di Rutherford – Spettrometria di retrodiffusione -Il modello di Bohr - Atomi di Rydberg - Esperimento di Franck e Hertz – Righe spettrali: serie di Lyman e di Balmer – Emissione spontanea ed emissione stimolata - Il maser e il laser – laser cooling - Ipotesi di De Broglie - Esperimento di Davisson e Germer - Dualismo onda-particella - Ampiezze di probabilità - Le relazioni di Heisenberg – larghezza di riga e vita media - Microscopia elettronica - L’equazione di Schroedinger - Oscillatore armonico quantistico – Fononi - buca di potenziale – Transizioni radiative – Regole di selezione di dipolo elettrico - Effetto tunnel – Microscopia a effetto tunnel - Nanostrutture e sistemi a bassa dimensionalità - Il laser a cascata quantica - La quantizzazione del momento angolare - Equazione di Schroedinger idrogenoide: numeri quantici, livelli energetici e funzioni d’onda - L’effetto Zeeman - Esperimento di Stern e Gerlach - Spin elettronico – Esperienza di Rabi – Misura del fattore g - Interazione spin-orbita – Effetto Zeeman anomalo- Il fattore di Landé – Il principio di Pauli – Particelle identiche – Forze di scambio - L’atomo di elio – Atomi a molti elettroni – Tavola periodica degli elementi – Accoppiamento LS – Regole di Hund – Accoppiamento JJ - Raggi X caratteristici – Effetto Auger - Spettroscopia da fotoelettroni e spettroscopia Auger - Il campo autoconsistente

Molecole

La molecola di H₂⁺ - L’approssimazione di Born-Oppenheimer – Moti rotazionali e vibrazionali in molecole biatomiche - La molecola di H₂ - Il metodo degli orbitali molecolari e quello di Heitler-London- Il legame chimico: interazioni di tipo covalente, ionico e di Van der Waals – Spettri molecolari – Molecole omonucleari - Effetto Raman - Spettri orto e para.

Statistiche quantistiche

Funzioni di distribuzione termodinamiche - Statistica di Fermi-Dirac - Statistica di Bose-Einstein – Gas di Fermi – Calore specifico degli elettroni - Calore specifico reticolare – Teoria quantistica del paramagnetismo - Paramagnetismo di Pauli – Gas di Bose - Superfluidità – Laser cooling - Condensazione di Bose-Einstein – Cristalli fotonici.

[1] J. J. Brehm e W. Mullin, Introduction to the Structure of Matter, John Wiley (1989).

[2] R. Eisberg e R. Resnick, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids & Nuclei, J. Wiley

[3] G. Herzberg, Spettri atomici e struttura atomica, Boringhieri

[4] W. Demtroeder, Atoms, molecules and photons, Springer

[5] C. Kittel e H. Kroemer, Termodinamica Statistica, Boringhieri

[6] B. Cagnac, Modern Atomic Physics, J. Wiley

[7] B.H. Brandsen and C.J. Joachain, Physics of atoms and molecules, Longman Scientific & Technical

[8] A.P. French, E.F. Taylor, An Introduction to Quantum Physics, MIT Introductory Physics Series

L'esame consisterà in una prova scritta e una prova orale. Lo scritto consiste di esercizi sugli argomenti del corso e verrà considerato valido nel corso della sessione d'esami in cui è stato superato. Nel corso dell'anno verrano svolte 2 prove in itinere (ciascuna su metà programma), chi supera entrambe non dovrà sostenere la prova scritta e potrà presentarsi direttamente all'orale.

Tutti gli argomenti del corso sono, in egual misura, oggetto di domanda.

Esempio di domanda 1: si descriva l'effetto fotoelettrico

Esempio di domanda 2: si descriva l'effetto Zeeman

Esempio di domanda 3: ricavare la statistica di Fermi-Dirac