Università degli studi dell'Insubria

FISICA DELLA MATERIA CON ESERCITAZIONI MOD.2: FISICA MOLECOLARE E DEI SOLIDI

A.A. di erogazione 2018/2019
Insegnamento obbligatorio

Laurea triennale in Fisica (A.A. 2016/2017)
Anno di corso: 
3
Tipologia di insegnamento: 
Caratterizzante
Settore disciplinare: 
FISICA DELLA MATERIA (FIS/03)
Crediti: 
5
Ciclo: 
Secondo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
40
Dettaglio ore: 
Lezione (40 ore)

Introduzione alla struttura della materia: dalla struttura atomica a quella molecolare allo stato solido. Si forniscono le basi concettuali dei meccanismi di aggregazione della materia con particolare attenzione ai principali metodi di indagine sperimentale e alla descrizione su base statistica dei sistemi macroscopici.
Le conoscenze acquisite in ambito fisico dovranno essere anche tradotte nelle seguenti abilita':
1) capacita' di ridurre un problema complesso nei suoi elementi essenziali per poi formalizzarli matematicamente.
2) capacita' di individuare gli strumenti di indagine piu' appropriati per investigare una data proprieta' fisica.

Prerequisiti: 

Familiarita' con l'elettromagnetismo e le basi della meccanica quantistica.

Primo Modulo:
1) Richiami di teorie cinetiche ed elementi di fisica statistica. Ipotesi di ergodicita'. Teoria degli insiemi rappresentativi. Teorema di equipartizione. Distribuzione di Maxwell-Boltzmann. Collisioni, sezioni d'urto e libero cammino medio. Coefficienti del trasporto nei gas. Moto Browniano (12 h)
2) Richiami sull'interazione radiazione-materia in fisica classica. Richiami di fisica quantistica: teoria del momento angolare, atomo di idrogeno (8 h).
3) Assorbimento ed emissione di radiazione, regola d'oro di Fermi. Coefficienti di Einstein. Effetto Zeeman. Spin dell'elettrone. Effetti relativistici: interazione spin-orbita. Struttura fine delle righe di emissione. Lamb shift. Effetto Zeeman anomalo. (10 h)
4) Struttura atomica. Atomi a piu' elettroni: atomo di elio. Campo autoconsistente. Tavola periodica degli elementi. Antisimmetria della funzione d'onda e principio di Pauli. Modello a shell. Interazione spin-orbita. Regole di Hund. Effetto Zeeman (10 h).

Secondo Modulo:
1) Cenni di struttura molecolare in molecole biatomiche. Approssimazione di Born--Oppenheimer. Ione molecolare idrogeno. Parita'. Orbitali molecolari. Molecola di idrogeno. Legame covalente, legame ionico, approssimazione di Heitler--London. Affinita' elettronica, esempi di legami di tipo ionico. Forze di Van der Waals. Moti rotazionali e vibrazionali. Spettri. Principio di Franck--Condon. Molecole poliatomiche. Ibridizzazione (14 h)
2) Statistiche quantistiche e applicazioni.
Statistiche quantistiche e indistinguibilita'. Maxwell—Boltzmann, Bose-Einstein, Fermi--Dirac. Limite classico. Radiazione in equilibrio con la materia: fotoni. Condensazione di Bose-Einstein. Calore specifico dei solidi (Einstein e Debye): fononi. Gas elettronico degenere: energia di Fermi, pressione di degenerazione, calore specifico (14 h).
3) Cenni di stato solido. Struttura di solidi cristallini: reticoli periodici. Diffusione di raggi X da cristalli. Proprieta' di trasporto in metalli: modello di Drude—Sommerfeld. Struttura a bande: teorema di Bloch. Metalli, isolanti e semiconduttori (12 h).

Lo studente potra' trovare il meteriale esposto nei seguenti testi:
F. Reif: Fundamentals of Statistical and Thermal Physics
B.H. Bransden, C.J. Joachain: Physics of Atoms and Molecules
N.W. Ashcroft, N.D. Mermin: Solid state physics

Un ulteriore utile testo e' anche:
N. Manini: Introduction to the Physics of Matter: Basic Atomic, Molecular, and Solid-state Physics

Sono inoltre disponibili testi a livello leggermente piu' elementare, che trattano i principali argomenti del corso:
R.M. Eisberg, R. Resnick: Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles
J.J. Brehm, W.J. Mullins: Introduction to the Structure of Matter: A Course in Modern Physics