2021/2022

2022/2023

DM270

FIS/01 (FISICA SPERIMENTALE)

DIPARTIMENTO DI CHIMICA

CHIMICA

PERCORSO COMUNE

2°

Secondo Semestre (01/03/2023 - 16/06/2023)

6

48 ore di attività frontale

Italiano

ORALE

COCOCCIONI MATTEO (titolare) - 6 CFU

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

Il corso 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.

Le lezioni teoriche saranno completate da alcune esperienze di laboratorio che, approfondendo argomenti di ottica, elettromagnetismo e interazione radiazione-materia, hanno anche lo scopo di rendere lo studente familiare con le basi del metodo sperimentale, di addestrarlo ad utilizzare gli strumenti di misura e ad interpretare correttamente i risultati sperimentali, confrontandoli con quelli previsti dalla teoria.

Le lezioni del corso verranno articolate nei seguenti macro-argomenti
- fisica delle onde (cenni): equazione delle onde; principio di sovrapposizione e onde stazionarie, modulazione, battimenti e interferenza; scomposizione di Fourier; diffrazione delle onde; pacchetti d'onda, velocità di gruppo e di fase; energia e momento di un'onda; rifrazione
- onde elettromagnetiche: equazioni di Maxwell (nel vuoto) e e equazioni delle onde e.m.; polarizzazione delle onde e.m.; intensità della radiazione e vettore di Poynting; modello di Lorentz e interazione radiazione-materia (cenni); indice di rifrazione; riflessione, trasmissione e assorbimento delle onde e.m.
- quantizzazione del campo e.m. (cenni): effetto fotoelettrico e introduzione ai fotoni; energia dei fotoni e loro spin; radiazione di corpo nero
- 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: teoria del momento angolare e composizione di più momenti; theoria di Hartree-Fock e interazione di scambio; interazione di spin-orbita; regole di Hund e trattazione di atomi a shell aperta; transizioni elettroniche, leggi di conservazione e regole di selezione;
- 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; concetti di legame chimico, elettronegatività e ionicità; molecole piu' complesse (cenni), concetto di ibridazione; stati elettronic della molecola di benzene e teoria di Huckel; risonanza e teoria del legame di valenza (cenni);
- simmetrie nelle molecole: operazioni di simmetria e classificazione dei principali gruppi; simmetrie dell'Hamiltoniana e loro conseguenze matematiche e fisiche; momenti di dipolo, magnetizzazione, chiralià e attività ottica;
- Spettroscopie NMR ed EPR (cenni): spin nucleare e interazioni; spin in campi magnetici statici e perturbazioni dipendenti dal tempo; frequenza di Larmor e transizioni tra stati di spin; shift chimico e suoi termini dominanti; tecniche di NMR pulsata, tempi di rilassamento, eco di spin; applicazioni biomediche (cenni).

Le esperienze di laboratorio riguardano:
- la diffrazione e l'interferenza della luce utilizzando laser e fenditure singole e doppie;
- studio dell'attività ottica di soluzioni zuccherine e di alcuni fenomeni specifici (mutarotazione e inversione).

Il corso consiste principalmente di lezioni frontali in classe.

Le lezioni teoriche sono completate da alcune esperienze sperimentali di laboratorio i cui argomenti sono ripresi in lezioni di ripasso immediatamente prima le attività di laboratorio.

Per il modulo teorico il testo di riferimento e’: Peter Atkins and Julio De Paula, “Chimica Fisica", Ed. Zanichelli. Edizione italiana: 5 (o più recente); edizione inglese: 9 (o più recente).

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 consisten di una discussione su tutti gli argomenti del corso (incluse le esperienze di laboratorio).
Per essere ammesso all'esame lo studente dovrà inviare al docente un resoconto scritto delle esperienze di laboratorio e ricevere una valutazione positiva su di esse.

La frequenza alle lezioni teoriche e alle esperienze in laboratorio e' obbligatoria per sostenere l'esame.