STRUTTURA DELLA MATERIA 1

Modulo ESERCITAZIONI

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.

Conoscenza e capacità di comprensione: Comprensione critica degli sviluppi più avanzati della Fisica della Materia sia negli aspetti teorici che sperimentali e delle loro interconnessioni, anche in campi interdisciplinari. Adeguata conoscenza degli strumenti matematici e informatici avanzati di uso corrente nei settori della ricerca di base e applicata. Notevole padronanza del metodo scientifico, e comprensione della natura e dei procedimenti della ricerca in Fisica.

Capacità di applicare conoscenza : Capacità di identificare gli elementi essenziali di un fenomeno, in termini di ordine di grandezza e di livello di approssimazione necessario, ed essere in grado di effettuare le approssimazioni richieste.

Autonomia di giudizio: Capacità di argomentare personali interpretazioni di fenomeni fisici, anche confrontandosi nell’ ambito di gruppi di lavoro. Sviluppo del senso di responsabilità nello studio degli argomenti.

Abilità comunicative: Capacità di comunicare in lingua italiana e in lingua inglese nei settori avanzati della Fisica.

Capacità di apprendimento : Capacità di acquisire adeguati strumenti conoscitivi per l'aggiornamento continuo delle conoscenze.Capacità di accedere alla letteratura specializzata sia nel campo in questione che in campi scientificamente vicini. Capacità di utilizzare banche dati e risorse bibliografiche e scientifiche per estrarne informazioni e spunti atti a meglio inquadrare e sviluppare il proprio lavoro di studio e di ricerca. Capacità di acquisire, attraverso lo studio autonomo, conoscenze in nuovi campi scientifici.

Verranno svolti diversi problemi ed esercizi vari sugli argomenti sopracitati svolti in didattica frontale, per approfondire gli argomenti stessi e prepararsi adeguatamente per la prova scritta del corso

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza
potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto
dichiarato in precedenza, al fine di rispettare il programma previsto e
riportato nel syllabus.
 

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.

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via
telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

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