STRUTTURA DELLA MATERIA
Anno accademico e docente
Non hai trovato la Scheda dell'insegnamento riferita a un anno accademico precedente?
Ecco come fare >>
- English course description
- Anno accademico
- 2015/2016
- Docente
- LORIS GIOVANNINI
- Crediti formativi
- 12
- Periodo didattico
- Annualità Singola
- SSD
- FIS/03
Obiettivi formativi
- Il corso presenta le basi fenomenologiche e sperimentali della fisica dei quanti. Tratta la teoria cinetica dei gas nell'ambito dell'equazione del trasporto di Boltzmann. Introduce la teoria degli insiemi statistici in ambito classico con estensione ai principali risultati quantistici, con applicazioni alla fisica dei solidi. Inoltre il corso fornisce allo studente le conoscenze di base della fisica atomica (atomi a più elettroni), delle molecole semplici (stati elettronici e roto-vibrazionali), dello stato solido e dell'interazione radiazione-materia.
Prerequisiti
- Sono raccomandate conoscenze di base di Meccanica Quantistica
Contenuti del corso
- Prima parte
RADIAZIONE TERMICA (6 ore)
Proprietà della radiazione termica. Corpo nero. Legge di Stefan. Legge di Wien. Formula di Rayleigh-Jeans. Teoria di Planck.
INTERAZIONE RADIAZIONE MATERIA (6 ore)
Effetto fotoelettrico: teoria quantistica di Einstein; i fotoni. Effetto Compton. Produzione di raggi X. Produzione e annichilazione di coppia. Definizione di sezione d'urto.
FENOMENOLOGIA QUANTISTICA (10 ore)
Postulato di de Broglie. Esperimento di Davisson e Germer. Dualismo onda-corpuscolo. Principio di indeterminazione. Modelli atomici: modello di Thomson, di Rutherford e di Bohr. Cenno al modello di Sommerfeld.
FISICA STATISTICA (20 ore)
Statistica classica: distribuzione di Maxwell-Boltrzmann. Teorema di equipartizione dell'energia. Applicazione al gas ideale.
Cenni alla termodinamica statistica. Introduzione alle statistiche quantistiche.
Distribuzione di Fermi-Dirac e gas di elettroni liberi.
Distribuzione di Bose-Einstein. Il corpo nero come gas di fotoni.
INTRODUZIONE ALLO STATO SOLIDO (6 ore)
Il reticolo di Bravais. Semplici strutture cristalline. Cella di Wigner-Seitz.
Diffrazione di raggi X; legge di Bragg.
Dinamica elettronica nei solidi: il modello a elettrone libero e cenni al modello semiclassico; processi di urto, libero cammino medio, conduttività elettrica. Effetto Hall. Conduttività termica degli elettroni. Legge di Wiedemann-Franz. Capacità termica del gas di elettroni.
Fononi in reticolo unidimensionale. Modello di Debye e calore specifico reticolare. Conduttività termica dei fononi.
Seconda parte
Proprietà delle funzioni d'onda dell'atomo di idrogeno: numeri quantici, distribuzione spaziale della probabilità (2 ore).
Esperimento di Stern-Gerlach; lo spin dell'elettrone; accoppiamento LS; effetti relativistici, regola dell'intervallo di Landè (2 ore).
Effetto Lamb, struttura iperfine; emissione spontanea; regole di selezione in forte campo magnetico; operatore inversione, regole di selezione in approssimazione di dipolo elettrico; emissione spontanea e stimolata, confronto con corpo nero (modello di Einstein) (6 ore).
Atomi a più elettroni; sistemi di fermioni, simmetria delle funzioni d'onda, ortoelio e paraelio; modello di Hartree (4 ore). Potenziale di ionizzazione; spettro di emissione raggi X, legge di Moseley; effetto Auger (2 ore). Elementi alcalini; elementi con due o più elettroni ottici; stati atomici del carbonio; transizioni ottiche e regole di selezione; effetto Zeeman, fattore di Landè ed effetto Paschen-Bach in atomi a più elettroni (6 ore).
Molecole; struttura elettronica, modello LCAO; orbitali di legame e anti-legame; molecole biatomiche, legami covalente e dipolare; molecole poliatomiche (4 ore). Ibridizzazione; molecole coniugate; proprietà ottiche (2 ore). Eccitazioni molecolari: modi rotazionali, modi vibrazionali; combinazione di transizioni elettroniche e roto-vibrazionali: principio di Franck-Condon (4 ore). Spettri atomici; scattering Raman (2 ore). Calore specifico di gas poliatomici (molecole), contributi rotazionale e vibrazionale (2 ore).
Reticolo reciproco; calcolo del reticolo reciproco; diffrazione di raggi X; modello di Von Laue (2 ore). Sfera di Ewald, metodi sperimentali; fattori di struttura e di forma, riflessioni proibite (2 ore). Elettroni in un potenziale periodico, teorema di Bloch; vettore d'onda elettronico e suo significato fisico (2 ore). Elettroni quasi liberi, gap di energia (2 ore). Conduttività elettrica nel modello a bande; conduttori, isolanti e semiconduttori (2 ore). Semiconduttori: bande di valenza e di conduzione, lacune; massa efficace (2 ore). Metodi didattici
- Lezioni frontali ed esercitazioni.
Modalità di verifica dell'apprendimento
- L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati.
L’esame consiste in una prova scritta e una prova orale per ciascuna delle due parti. La prova scritta consiste nella soluzione di alcuni problemi inerenti il programma e si intende pienamente superata con un punteggio di 18 su 30. La prova orale si terrà pochi giorni dopo quella scritta e verificherà la preparazione dello studente nel trattare gli argomenti che verranno proposti. Il voto finale terrà conto del risultato complessivo delle prove d'esame (scritto e orale, prima e seconda parte didattica) Testi di riferimento
- 1)R.Eisberg, R.Resnick "Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles", 2nd Edition, J.Wiley & Sons, 1985 (Capitoli 1,2,3,4,8,9,10)
2)Alonso-Finn "Quantum and statistical Physics" vol. 3, Addison-Wesley (Chapters 10,11,12,13)
3)C. Kittel "Introduction to Solid State Physics" VI Edizione, J. Wiley &Sons, 1986 (Capitoli 1,2,4,5,6,7,8).
