67114 - STRUTTURA DELLA MATERIA

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Istruzione di qualità

Anno Accademico 2021/2022

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente acquisisce alcuni fondamenti di teoria delle probabilità, ed in particolare la dimostrazione formale del Teorema del Limite Centrale. Inoltre, apprende i principi di base che legano le proprietà microscopiche della materia con quelle macroscopiche, e la formulazione statistica della Termodinamica di equilibrio, sia per i sistemi non degeneri che per quelli degeneri. Lo studente è dunque in grado di affrontare problemi di termodinamica(equazioni di stato, equilibrio di reazioni chimiche, condensazione di Bose, Fermioni fortemente degeneri)attraverso i moderni approcci fisico-matematici delle teorie statistiche.

Contenuti

PARTE I - FISICA ATOMICA E MOLECOLARE

  • 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 elettrici e magnetici statici: effetti Stark e 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 e 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

PARTE II - FISICADEI SOLIDI

  • Introduzione allo stato solido
    • Stato cristallino e stato amorfo
    • Solidi nel mezzo interstellare
  • Strutture cristalline
    • Reticoli e periodicità
    • Diffrazione di raggi X ed elettroni
    • Vibrazioni reticolari: fononi
  • 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: classificazione di Bloch e di Mott, correlazione elettronica
    • Elettroni e lacune in semiconduttori
  • Proprietà ottiche dei solidi
    • Classi di materiali ottici
    • Assorbimento interbanda: gap diretto e indiretto
    • Luminescenza interbanda: fotoluminescenza e elettroluminescenza
    • Difetti puntuali nei cristalli. Centri di luminescenza, laser a stato solido
    • Proprietà ottiche dei metalli, plasmoni

 

Testi/Bibliografia

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

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Diapositive delle lezioni

Note specifiche per lo sviluppo di calcoli e dimostrazioni

Script MATLAB per calcolo e grafica di alcuni problemi

Metodi didattici

Lezioni frontali con uso di diapositive in modalità mista sincrona, ovvero sia in aula che online tramite MS Teams

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 esercizi semplici

  • Ricalcano gli esercizi fatti a lezione e assegnati per casa
  • Permesso l’uso di libri, appunti, formulari…
  • Verrà fornito un fac-simile d’esame verso fine corso
  • 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 (max 15 minuti). 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 verrà reso noto 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

Microsoft Teams per erogare/fruire la lezione in modalità online

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