Università degli studi dell'Insubria

CHIMICA FISICA 1

A.A. di erogazione 2019/2020
Insegnamento obbligatorio

Laurea triennale in CHIMICA E CHIMICA INDUSTRIALE
 (A.A. 2018/2019)

Docenti

Anno di corso: 
2
Crediti: 
9
Ciclo: 
Primo Semestre
Ore di attivita' frontale: 
72

L'obiettivo di questo corso è quello di costruire una base di meccanica quantistica e spettroscopia molecolare, che sono essenziali per le discipline chimiche.

In particolare, gli studenti saranno in grado di:

- Conoscere, a livello base, le leggi della meccanica quantistica.

- Applicarle numericamente allo studio di sistemi modello semplici ma con importanti applicazioni in chimica e tecnologia

-Conoscere gli elementi di base della spettroscopia atomica e molecolare e le loro applicazioni in chimica

- Ricavare, partendo da dati spettroscopici, proprietà chimico-fisiche di atomi e molecole.

L'apprendimento di questi concetti è fondamentale per comprendere la struttura e le proprietà degli atomi e delle molecole, compresa la loro reattività. Queste basi di conoscenza sono indispensabili per poter affrontare, in un eventuale Laurea magistrale in Chimica, gli insegnamenti di area chimica più approfonditi previsti da questo corso di laurea.

Corso di Chimica Generale e conoscenze di base dei Corsi di Matematica e Fisica del primo anno.
In particolare
per la comprensione degli argomenti trattati nel corso sono necessari i fondamenti di:
-Algebra lineare
-Calcolo differenziale in una e più variabili
-Calcolo integrale in una e più variabili
-Calcolo con numeri complessi
-Meccanica classica

Richiami di meccanica classica. Onde e radiazione elettromagnetica . L’interazione radiazione- materia e lo spettro elettromagnetico. Le idee base della spettroscopia. I limiti della fisica classica evidenziati dagli esperimenti: corpo nero, costante di Planck, effetto fotoelettrico. Quantizzazione dell’energia. Ruolo centrale della meccanica quantistica nella scienza, nella tecnologia, e nella nostra vita di tutti i giorni.
La “dualità onda-particella”. L’esperimento della doppia fenditura. La relazione di De Broglie. Il principio di indeterminazione di Heisenberg. L’ indeterminazione posizione-momento e tempo-energia. Onde e pacchetti d’onda. L’equazione di Schrödinger per la particella libera.

I postulati della meccanica quantistica. Il concetto di stato quanto-meccanico. La funzione d’onda. Operatori lineari. Uso degli operatori per ottenere dalla funzione d’onda informazioni sui sistemi chimici (atomi, molecole, etc). Autovalori e autofunzioni. Definizione di commutatore di due operatori. Conseguenze fisiche della commutabilità/non commutabilità di due operatori, e relazione con l’indeterminazione tra grandezze complementari. Probabilità ed ampiezza. Interpretazione di Born. Distribuzioni di probabilità e valori medi in meccanica classica e meccanica quantistica. Principio di sovrapposizione Sovrapposizione di stati e collasso della funzione d’onda. Cenni all’evoluzione temporale di un sistema quanto-meccanico: l’equazione di Schrödinger dipendente dal tempo per stati stazionari.
Particella libera vs. particella confinata: origine della quantizzazione dell’energia. Funzioni accettabili e non accettabili, condizioni al contorno. Le informazioni ottenibili dalla funzione d’onda, significato della curvatura. Particella confinata nella scatola mono-dimensionale, bi-dimensionale, tri-dimensionale. Degenerazione e simmetria. L’energia del punto zero e la sua relazione con il principio di indeterminazione.
L’effetto Tunnel: alcuni esempi/applicazioni.

L’oscillatore armonico quanto-meccanico. L’equazione di Schrödinger per l’oscillatore armonico. Autovalori, autofunzioni, energia del punto zero. Simmetria delle funzioni d’onda. Applicazione del modello dell’oscillatore armonico alle vibrazioni molecolari e limiti dell’approssimazione armonica. La spettroscopia vibrazionale. Momento di dipolo di transizione. Regole di selezione. Anarmonicità. Energia di dissociazione per una molecola biatomica. Vibrazioni delle molecole poliatiomiche.

Momento angolare. Particella confinata su un anello (due dimensioni) e su una sfera (tre dimensioni). Energie permesse e funzioni d’onda. Le armoniche sferiche. La molecola diatomica come rotore rigido. Cenni di spettroscopia rotazionale.

Atomo di idrogeno e sistemi idrogenoidi.
Le soluzioni dell'equazione radiale per gli atomi idrogenoidi, le energie, e gli orbiltali atomici.
Funzioni d’onda e densità di probabilità, funzioni radiali e angolari. La quantizzazione del momento angolare e i relativi numeri quantici.
Gli spettri di emissione degli atomi idrogenoidi e le serie di righe spettrali.
Spin elettronico, operatori di spin. Atomo di elio. Atomi a molti elettroni. Il principio di esclusione di Pauli. Configurazioni elettroniche,regole di Hund. Spettri atomici e regole di selezione.

Il corso, di 9 CFU, corrisponde a 72 ore di lezioni frontali. Tutte le lezioni sono supportate da slide preparate dal docente e scaricabili dal sito e-learning del corso.
Sono anche previste delle esercitazioni (36 ore) affinchè gli studenti possano acquisire in modo ottimale i concetti spiegati nelle lezioni frontali tramite l'applicazione negli esercizi numerici.

Prova scritta, con attribuzione di un voto in trentesimi.
L’esame è suddiviso in due parti. La prima parte consiste in un questionario di domande a risposta multipla (4 scelte possibili) che coprono tutti gli argomenti del corso. Il tempo previsto è di 45 minuti. Il superamento della prima parte è la condizione necessaria per poter accedere alla seconda parte, solitamente nella stessa giornata, che consiste nella risoluzione completa di 4 esercizi, analoghi a quelli già presentati durante le lezioni e le esercitazioni, in un tempo di 2 ore. Il voto finale proposto al candidato/a è una media pesata dei voti delle due prove.
La prova d'esame può essere svolta a partire dalla fine del primo semestre e si ritiene superata se il candidato/a ha conseguito un voto pari ad almeno 18/30.

L’insegnamento CHIMICA FISICA 1 non prevede l’adozione di un unico testo di riferimento. Il docente consiglia un insieme di testi di livello universitario, in lingua italiana o inglese, tra i quali gli studenti possono scegliere quello a loro più congeniale.

La docente riceve, previo appuntamento via e-mail, tutti i giorni lavorativi presso il suo studio, sito al I piano della sede di via Valleggio 9, Como.

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A.A. 2019/2020

Anno di corso: 2
Curriculum: PERCORSO COMUNE