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
    
  • 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 e ibridazione
  • 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
  • Assorbimento ed emissione di radiazione in semiconduttori
  
  

 

Testi/Bibliografia

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

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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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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 la piattaforma Wooclap

 

 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta e una prova orale con le seguenti modalità:

1) Prova scritta con due o tre esercizi, ciascuno dei quali articolato su diversi punti.

• Gli esercizi ricalcano quelli svolti a lezione e raccolti nell'eserciziario su Virtuale
• E’ permesso l’uso di libri, appunti, formulari, calcolatrice (no smartphone)
• Esempi di appelli precedenti (con soluzioni) sono disponibili su Virtuale
  
• Ci saranno due appelli parziali durante il corso (nell'orario delle lezioni), e cinque distribuiti nelle altre sessioni dell'A.A.

Il punteggio ottenibile allo scritto va da 1 a 30.

Si può accedere all'orale solo se si supera la prova scritta con un voto >=18. Nel caso vengano sostenuti i due parziali, fa fede il voto medio dei due (non è necessario ottenere almeno 18 in entrambi).

2) Prova orale

• Primo argomento a piacere fra quelli elencati nei Contenuti dell'insegnamento. 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.

Il voto ottenuto all'orale è attribuito in base ai criteri elencati di seguito:

29-30L: Preparazione approfondita su tutti gli argomenti, capacità di analisi critica, padronanza della terminologia specifica;

26-28: Preparazione approfondita sull'argomento a scelta e discreta/buona sul secondo argomento, capacità di analisi critica, padronanza della terminologia specifica, espressione in linguaggio corretto;

22-25: Buona preparazione sull'argomento a scelta e discreta sul secondo argomento, capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente, espressione in linguaggio corretto;

18:21: Discreta preparazione sull'argomento a scelta e sufficiente sul secondo argomento, capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente, espressione in linguaggio complessivamente corretto.

Il voto complessivo è indicativamente la media aritmetica fra prove scritta e orale (purché quest'ultima sia sufficiente), a cui potranno essere sommati fino a due punti se la valutazione dell'orale è molto positiva.

Se la prova orale risultasse insufficiente sarà necessario sostenerla in un appello successivo. La validità della prova scritta è limitata all'A.A. in cui è stata sostenuta.

Il voto ottenuto in seguito alla prova orale può essere rifiutato un massimo di due volte, come deliberato dal Consiglio di Corso di Studio.

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it): sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

 

Strumenti a supporto della didattica

Le registrazioni delle lezioni sono disponibili su Virtuale fino alla fine del corso.

Esempi di calcolo numerico e grafica (forniti in MATLAB)

Quiz sulla piattaforma Wooclap disponibili in modalità asincrona per ricapitolare i concetti principali di ogni capitolo. 

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Pasquini