67114 - STRUTTURA DELLA MATERIA

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce: a) i fondamenti fisici che descrivono gli stati quantistici, in particolare quelli elettronici, in sistemi di complessità crescente dall’atomo idrogenoide fino ai solidi cristallini; b) l’interazione di tali sistemi con la radiazione elettromagnetica; c) le informazioni che se ne possono trarre in ambito astronomico. Lo studente è in grado di applicare metodi e principi quanto-meccanici per calcolare livelli energetici, correzioni perturbative, e probabilità di transizione fra stati. Inoltre, sa calcolare le proprietà di transizioni radiative di interesse in astronomia, quali energia, tempo di vita e larghezza naturale.

Contenuti

• Atomi idrogenoidi (richiami)
  • Funzioni d’onda e livelli energetici dell’atomo idrogenoide
• Interazione di atomi idrogenoidi con la radiazione elettromagnetica
  • Teoria perturbativa dipendente dal tempo al 1° ordine
  • Probabilità di transizione per assorbimento ed emissione
  • Approssimazione di dipolo elettrico
  • Regole di selezione
  • Coefficienti di Einstein
  • Forma di riga e tempo di vita
  • Scattering della radiazione
• Struttura fine e iperfine di atomi idrogenoidi
  • Spin e momento magnetico
  • Struttura fine: accoppiamento spin-orbita
  • Struttura iperfine
  • Campi magnetici statici: effetto Zeeman
• Atomi a molti elettroni
  • Particelle identiche in meccanica quantistica: fermioni e bosoni
  • Atomi a due elettroni: interazione di scambio
  • Atomi con molti elettroni: approssimazione di campo centrale; configurazioni, shell e subshell
  • Metodi di Hartree-Fock
  • Energia di correlazione
  • Struttura fine: schemi L-S e j-j
• Interazione di atomi a molti elettroni con radiazione elettromagnetica
  • Regole di selezione (transizioni E1, M1, E2)
  • Spettri ottici dei metalli alcalini
  • Esempi in Astronomia, diagrammi di Grotrian
  • Spettri a raggi X: legge di Moseley
• Molecole: stati quantistici e interazione con la radiazione elettromagnetica
  • Approssimazione di Born - Oppenheimer
  • Stati elettronici e simmetrie di molecole biatomiche
  • Molecola H2⁺ e il metodo LCAO
  • La molecola H2 e il legame covalente
  • Il legame ionico
  • Orbitali molecolari
  • Molecole poliatomiche: ibridazione, orbitali delocalizzati
  • Spettri rotazionali, roto-vibrazionali, elettronici
• Introduzione allo stato solido
  • Stato cristallino e stato amorfo
  • Solidi nel mezzo interstellare
• Strutture cristalline
  • Reticoli e periodicità
  • Diffrazione di raggi X ed elettroni
• Stati elettronici nei solidi
  • Modello ad elettrone libero dei metalli
  • Elettroni indipendenti in potenziale periodico: stati di Bloch
  • Modello ad elettrone fortemente legato
  • Bande energetiche e livelli proibiti
  • Conduttori vs isolanti: visione quantistica
  • Elettroni e lacune in semiconduttori
• Proprietà ottiche dei solidi
  • Classi di materiali ottici
  • Assorbimento interbanda: gap diretto e indiretto
  • Luminescenza interbanda: fotoluminescenza e elettroluminescenza

 

Testi/Bibliografia

ATTENZIONE: E' ASSOLUTAMENTE NECESSARIA UNA CONOSCENZA DI BASE DELLA MECCANICA QUANTISTICA PER POTER SEGUIRE IL CORSO!

---------------------------------------------------------------------

FISICA ATOMICA E MOLECOLARE

•B.H. Bransden & C.J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Prentice Hall, 2° Edition 2003

•R. Eisberg, R, Resnick, Qantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles, Wiley

•J. Tennyson, Astronomical Spectroscopy, Imperial College Press

FISICA DEI SOLIDI

•C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, Wiley (o sua traduzione Introduzione alla fisica dello stato solido, Casa Editrice Ambrosiana 2008)

•M. Fox, Optical properties of solids, Oxford University Press

-------------------- PER ENTRAMBE LE PARTI ---------------------------

Dispense del corso disponibili su Virtuale

Script MATLAB per calcolo e grafica di alcuni problemi

Metodi didattici

Lezioni frontali con uso sia di lavagna sia di diapositive

Esercizi svolti in aula e assegnati per casa

Quiz (anomini) in aula con Wooclap

Alcuni argomenti trattati in modalità "Peer instruction": lettura assegnata per casa seguita da discussione in aula con l'ausilio di Wooclap

 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Scritto e orale con le seguenti modalità:

1) Scritto con tre esercizi

• Ricalcano gli esercizi fatti a lezione eraccolti nell'eserciziario su Virtuale
• Permesso l’uso di libri, appunti, formulari, calcolatrice (no smartphone)
• Esami di appelli precedenti (con soluzioni) disponibili su Virtuale
• E’ richiesta la sufficienza per accedere al colloquio

2) Orale

• Primo argomento a piacere fra quelli del corso. E’ possibile esporre usando presentazione Power Point o PDF (15 minuti+5-10 minuti di discussione). Sono benvenuti (ma non obbligatori) approfondimenti e sviluppi di software per calcolo e grafica inerenti all’argomento scelto
• Secondo argomento estratto fra una rosa di possibilità il cui elenco è disponibile su Virtuale. Per il secondo argomento non sono richieste dimostrazione dettagliate, ma un’esposizione chiara dei punti salienti e dei concetti fisici importanti.

Strumenti a supporto della didattica

Esempi di calcolo numerico e grafica (forniti in MATLAB)

Ambiente Wooclap per discussioni e sondaggi (anonimi) sia per ricapitolare i concetti principali di ogni capitolo sia per discutere gli argomenti assegnati in modalità "peer instruction"

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Pasquini