2019/2020

2020/2021

DM270

FIS/01 (FISICA SPERIMENTALE)

DIPARTIMENTO DI CHIMICA

CHIMICA

PERCORSO COMUNE

2°

Secondo Semestre (01/03/2021 - 18/06/2021)

6

48 ore di attività frontale

Italiano

ORALE

COCOCCIONI MATTEO (titolare) - 3 CFU
PROTTI NICOLETTA - 3 CFU

Aver superato l'esame di Fisica Sperimentale con Laboratorio.
Aver frequentato il corso di Chimica Fisica I.

Il modulo teorico si propone di consolidare le conoscenze di meccanica quantistica ed estenderle fino a fornire un bagaglio sufficiente ed adeguato alla comprensione della fisica di atomi e molecole. Gli argomenti formali affrontati a lezione verranno sviluppati nell'ambito della trattazione di problemi ben definiti di chimica atomica e molecolare, con l'obiettivo di fornire agli studenti una conoscenza operativa della meccanica quantistica con cui poter impostare la loro trattazione e affrontare la loro soluzione. Ci si aspetta che alla fine del corso gli studenti non solo comprendano, ad esempio, l'origine della natura discreta degli spettri atomici e molecolari o del legame chimico, ma sappiano anche costruire la funzione d'onda di una semplice molecola o di un sistema a molti elettroni e impostare il calcolo dello stato fondamentale mediante un approccio variazionale.

Il modulo di laboratorio si propone di approfondire alcuni argomenti di elettromagnetismo e di ottica, che saranno in parte trattati utilizzando concetti gia' noti agli studenti (numeri quantici, occupazione dei livelli energetici, ...), e di fornire esempi e applicazioni legati alla chimica.
Gli argomenti affrontati durante le lezioni frontali verranno applicati all'analisi di una serie di esperienze di laboratorio, che hanno lo scopo di rendere familiare lo studente con le basi del metodo sperimentale e di addestrarlo ad utilizzare gli strumenti di misura e ad interpretare correttamente i risultati sperimentali, confrontandoli con quelli previsti dalla teoria.

Le lezioni del modulo teorico verranno articolate nei seguenti macro-argomenti
- fondamenti della meccanica quantistica (principalmente ripasso da corsi precedenti): dualismo onda-particella, principi fondanti, funzioni d'onda e loro interpretazione, operatori e osservabili, equazione di Schrodinger, momento angolare, fattorizzazione della funzione d'onda, atomo di idrogeno;
- struttura elettronica di atomi piu' complessi: atomi idrogenoidi, principio di esclusione di Pauli, ordine di riempimento di Auf-Bau, energie totali, potenziali di ionizzazione, ed affinita' elettroniche;
- modello vettoriale dell'atomo: campo magnetico in meccanica quantistica, diamagnetismo e paramagnetismo, momenti magnetici localizzati, interazione di spin-orbita e loro effetto su spettri atomici, regole di Hund, proprieta' di atomi a shell aperta, momento magnetico nucleare e spettroscopia NMR (cenni)
- molecole e loro struttura elettronica: spazi di Hilbert e basi di funzioni, principio variazionale, combinazioni lineari di orbitali atomici, stati leganti e antileganti, molecola di idrogeno ione e idrogeno, molecole piu' complesse (cenni), stati elettronic della molecola di benzene e teoria di Huckel, Hamiltoniana e sue simmetrie (cenni);
- funzioni d'onda a piu' elettroni: prodotti di termini di elettrone singolo, metodo di Hartree, antisimmetrizzazione e metodo Hartree-Fock, energie di eccitazione (teorema di Koopmans), integrale di scambio e magnetismo;


Nelle lezioni teoriche del modulo di laboratorio, vengono affrontati argomenti finalizzati alla realizzazione delle esperienze in laboratorio:
- approfondimenti di magnetismo nella materia: richiami delle equazioni di Maxwell nel vuoto, derivazione delle equazioni della magnetostatica in presenza di un mezzo, classificazione dei materiali in base alle proprieta' magnetiche, spiegazione in termini microscopici delle proprieta' diamagnetiche, paramagnetiche e ferromagnetiche dei materiali ed esempi applicati alla chimica, ciclo di isteresi di materiali ferromagnetici;
- fisica dei semiconduttori: richiami ai numeri quantici e ai livelli energetici, bande di energia (bande di valenza e di conduzione), energia di Fermi, classificazione dei materiali in conduttori, isolanti e semiconduttori in base all'occupazione delle bande energetiche. Approfondimenti sui semiconduttori: elettroni e lacune, drogaggio di tipo p e di tipo n, diodi, LED;
- ottica geometrica: la luce e lo spettro elettromagnetico, descrizione dei fenomeni e delle leggi della riflessione, rifrazione, dispersione cromatica, prisma ottico, accenni alle lenti sottili, principi di funzionamento di uno spettroscopio di Kirchhoff e Bunsen e sue applicazioni;
- ottica ondulatoria: principio di Huygens, esperimento di Young, diffrazione da singola fenditura, interferenza da due fenditure, reticoli di diffrazione, diffrazione di raggi X su reticolo cristallino.

Le esperienze di laboratorio riguardano:
- la misura di un ciclo di isteresi mediante l'utilizzo di un trasformatore di materiale ferromagnetico;
- la misura della costante di Planck attraverso LED;
- la taratura di uno spettroscopio a prisma e la misura della lughezza d'onda di righe spettrali incognite;
- la diffrazione e l'interferenza della luce utilizzando laser e fenditure singole e doppie.

Il modulo teorico si basa su lezioni frontali in classe.

Il modulo di laboratorio prevede esercitazioni sperimentali in laboratorio. Gli argomenti oggetto delle esperienze sono presentati e approfonditi durante alcune lezioni frontali, che precedono le attivita' in laboratorio.

Per il modulo teorico il testo di riferimento e’: Peter Atkins and Julio De Paula, “Chimica Fisica", V edizione italiana condotta sulla nona edizione inglese, Zanichelli.

Per il modulo di laboratorio, i testi di riferimento sono:
- Mazzoldi, Nigro, Voci, "Fisica, Vol. 2", Ed. Edises
- Serway - Jewett, "Fisica per Scienze ed Ingegneria - Vol. 2", Ed. Edises
- Halliday, Resnick, Walker, "Fondamenti di Fisica", Ed. CEI

L'esame prevede una prova orale congiunta per i due moduli che compongono il corso.

Per il modulo teorico, durante la prova orale lo studente dovra’ dimostrare la conoscenza degli argomenti affrontati a lezione e la capacita’ di usare nozioni di base di meccanica quantistica per impostare la trattazione di problem tipici di fisica nucleare e molecolare.

Per il modulo di laboratorio, durante la prova orale lo studente dovra' discutere delle esperienze effettuate: saranno verificate la comprensione delle attivita' svolte in laboratorio, la conoscenza dei fenomeni fisici oggetto delle esperienze di laboratorio e degli approfondimenti svolti durante le lezioni frontali, e la corretta interpretazione dei risultati sperimentali.

La frequenza alle lezioni teoriche e alle esperienze in laboratorio e' obbligatoria.