Programma del corso di Istituzioni di Struttura della Materia (9 CFU

Programma del corso di Istituzioni di Struttura della Materia (9 CFU)
Corso di laurea in Fisica (N.O.)
Prof. Renato Pucci
Il corso si propone di descrivere alcune teorie ed alcuni esperimenti particolarmente significativi per il ruolo da essi giocato nella nascita e sviluppo della Meccanica Quantistica.
Verranno inoltre presentati gli elementi introduttivi alla Fisica atomica, molecolare e dei solidi.
Talvolta si farà riferimento a sistemi che tutt’oggi sono oggetto di intensa ricerca, quali i
fullereni, il poliacetilene, i superconduttori ad alta temperatura critica ed il grafene.
Elettroni e fotoni
Le simmetrie e la fisica. La natura atomica della materia. L’elettrone. Richiamo di nozioni
elementari sul concetto di probabilità. La distribuzione di Maxwell-Boltzmann delle velocità
molecolari.
La radiazione termica del corpo nero. Le onde elettromagnetiche stazionarie. La legge di
Stefan-Boltzmann e quella dello spostamento di Wien. Ipotesi di Planck. La radiazione di
fondo dell’universo. L’effetto fotoelettrico. La nascita del concetto di fotone. Diffrazione di
raggi X da cristalli, relazione di Bragg. L’effetto Compton. L’annichilazione dei positroni.
Fisica atomica
I moti Browniani e gli esperimenti di Perrin. Lo scattering di Rutherford. Il modello di Bohr.
Atomi muonici. Atomi di Rydberg. Esperimento di Franck e Hertz. Il laser. Ipotesi di De
Broglie. Esperimento di Davisson e Germer. Dualità onda-particella. Ampiezze di probabilità. Le relazioni di Heisenberg. Onde e pacchetti d’onda. Paradosso EPR. Entanglement.
L’equazione di Schrödinger. L’oscillatore armonico. La scatola unidimensionale. Effetto
tunnel. La quantizzazione del momento angolare. L’equazione di Schrödinger idrogenoide:
numeri quantici, livelli energetici e funzioni d’onda. Le regole di selezione del dipolo elettrico.
Esperimento di Stern e Gerlach. Spin elettronico. Momenti magnetici orbitali. Somma di
momenti angolari di spin ed orbitale. Interazione spin-orbita. Risonanza di spin elettronico.
L’effetto Zeeman normale e anomalo. Effetto Paschen-Back.
Il modello di campo centrale. Il principio di Pauli. Simmetria della funzione d’onda.
L’atomo di elio. Il metodo variazionale e quello perturbativo. Il campo autoconsistente,
l’approssimazione di Hartree, e l’approssimazione di Hartree-Fock. Il metodo di ThomasFermi. Scattering di raggi X. La teoria del funzionale della densità. L’energia di scambio e
correlazione.
Fisica Molecolare
La molecola di H+
2 . L’approssimazione di Born-Oppenheimer. Il teorema del viriale. Moti
rotazionali e vibrazionali in molecole biatomiche. La molecola di H2 . Il metodo degli orbitali
molecolari e quello di Heitler-London. Il legame chimico: interazioni di tipo covalente, ionico
e di Van der Waals. Gli elettroni π. Il metodo di Hückel. Le molecole coniugate. I fullereni. Il
poliacetilene. La transizione di Mott. L’instabilità di Peierls. I sistemi quasi-unidimensionali
ed i solitoni. Effetto Raman. Spettri orto e para.
Fisica dei Solidi
Funzioni di distribuzione termodinamiche. Statistica di Fermi-Dirac. Statistica di BoseEinstein.
La teoria ad elettrone fortemente legato e quella ad elettrone libero. Superficie di Fermi.
Densità degli stati. Modelli di Drude e di Sommerfeld dei metalli. La conducibilità elettrica.
L’effetto Hall. Energia di coesione dei solidi. L’idrogeno solido sottoposto a pressioni elevate.
Calore specifico degli elettroni.
Vibrazioni reticolari. Catena unidimensionale monoatomica e biatomica. Fononi. Calore
specifico reticolare. Conducibilità termica. Modelli di Einstein e di Debye.
La rottura delle simmetrie e le transizioni di fase.
Caratteristiche sperimentali dei superfluidi. Condensazione di Bose-Einstein. Caratteristiche sperimentali dei superconduttori. La gap di energia. Le coppie di Cooper e la teoria
BCS. L’effetto Josephson. I superconduttori ad alta Tc .
Il grafene.
Testi consigliati
[1] R. Fieschi e R. De Renzi, Struttura della Materia, La Nuova Italia Scientifica.
[2] S. Franchetti, A. Ranfagni e D. Mugnai, Elementi di Struttura della Materia, Zanichelli.
[3] H. Haken e H. C. Wolf, Fisica Atomica e Quantistica, Boringhieri.
[4] B. H. Bransden and C. J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Prentice Hall (2003).
[5] J. J. Brehm e W. Mullin, Introduction to the Structure of Matter, John Wiley (1989).
[6] N. H. March, Self-consistent Fields in Atoms, Pergamon Press.
[7] N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, Solid State Physics, Saunders College.
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