Corso di laurea in Fisica

Gli obiettivi del corso sono orientati verso una introduzione alla moderna fisica atomica, molecolare e dello stato solido. Il corso fornirà anche un’introduzione ad alcune delle più importanti metodologie, strumentazione e tecniche sperimentali adottate nel campo della fisica della materia.

 

Conoscenza e capacità di comprensione

• comprensione dei concetti alla base della moderna Fisica della materia e acquisizione dei modelli fisici che permettono una adeguata interpretazione dei fenomeni di fisica atomica, molecolare e dello stato solido
• comprensione delle modalita' di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per lo studio della struttura della materia
• comprensione della trattazione statistica dei dati sperimentali per la realizzazione di una corretta misura delle osservabili fisiche

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

• capacita’ di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica, molecolare o riguardanti la fisica dello stato solido
• capacità di valutare gli ordini di grandezza, di svolgere calcoli elementari e di risolvere semplici problemi riguardanti la struttura della materia
• capacita' di effettuare misure di laboratorio con l'utilizzo di strumentazione moderna seguendo un adeguato protocollo sperimentale
• capacita' di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta  trattazione statistica
• capacità di redigere un resoconto scientifico in modo chiaro utilizzando una notazione scientifica corretta

Lezioni in aula

Il corso si articola su 48 h (corrispondenti a 6 CFU) di lezioni ed esercitazioni che verteranno su 4 temi portanti: fisica degli atomi a molti elettroni, fisica molecolare, fisica dello stato solido e statistiche quantistiche.

Alla presentazione dei 4 temi vengono premessi dei "richiami" riguardanti principalmente argomenti di meccanica quantistica e statistica essenziali per la comprensione degli argomenti del corso. 

Il programma dettagliato dell'anno accademico 2014/2015 è disponibile presso il sito 

http://www.dfs.unito.it/solid/Didattica/Struttura_Materia_Fisica/index-str-mat-fisica-14-15-UK.html

dove, per ogni lezione, sono indicati l'argomento trattato, i riferimenti bibliografici e gli eventuali esercizi svolti.

Modulo di laboratorio

Il modulo di laboratorio si articola in 30 ore, così strutturate:

• 3 lezioni (6 ore) propedeutiche su tematiche generali di tecniche e metodologie nella fisica sperimentale della materia;
• 2 lezioni (4 ore) introduttive alle esperienze di laboratorio; ogni gruppo è tenuto a seguire soltanto le lezioni introduttiva all'esperienza che verrà svolta in laboratorio;
• 5 lezioni (20 ore) in laboratorio, in cui ogni gruppo svolgerà una specifica esperienza tra quelle indicate nel programma.

La frequenza al modulo di laboratorio (incluse le lezioni  propedeutiche generali e quelle introduttive alle esperienza, pena l'esclusione dalle sessioni di laboratorio) è obbligatoria.

La verifica dell'apprendimento avverrà attraverso

• la valutazione delle attività svolte in laboratorio, volta a verificare la capacità dello studente  ad utilizzare con procedure appropriate la strumentazione,  di analizzare adeguatamente i dati sperimentali, e  la capacità di esporre le tecniche sperimentali ed i modelli interpretativi delle attività svolte in laboratorio. La valutazione si articola in
• valutazione delle relazioni di gruppo delle esperienze di laboratorio, che dovranno essere consegnate al docente entro 7 giorni dalla conclusione delle esperienze stesse. Le relazioni verranno valutate dal docente.
• prova orale : saranno ammessi al colloquio gli studenti che avranno riportato una votazione sufficiente della loro relazione di laboratorio. Nell'esame verranno discussi i) la fisica, la strumentazione utilizzata ed i risultati dei dati analizzati relativi all'esperienza svolta in laboratorio; ii) le tematiche trattate nelle lezioni propedeutiche e introduttive.
• una prova scritta riguardante esercizi di Fisica atomica e dello stato solido, volta a verificare la capacità dello studente  ad applicare correttamente i modelli fisici fondamentali per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica, padroneggiare gli ordini di grandezza delle osservabili fisiche, svolgere calcoli elementari per risolvere problemi di fisica atomica e dello stato solido. La prova scritta (vedi prova scritta del 23.03.2016) consiste in esercizi riguardanti problemi di fisica atomica, statistiche quantistiche e fisica dello stato solido; durata della prova scritta: 2 ore. Non sarà consentito portare alla prova scritta libri o appunti; saranno disponibili dati essenziali (e.g. costanti fondamentali, tabella periodica degli elementi ed alcune formule fondamentali) per poter svolgere gli esercizi. Lo scritto sostenuto in una sessione d'esame vale per tutta la sessione e solo per quella. Nel caso ci siano due appelli nella stessa sessione lo studente che superi entrambi gli scritti della sessione può presentarsi all'orale scegliendo la valutazione più favorevole.
• prova orale riguardante gli argomenti trattati nelle lezioni frontali , volta a verificare la conoscenza dei modelli fisici fondamentali riguardanti le statistiche quantistiche, la struttura degli atomi e delle molecole. Saranno ammessi al colloquio gli studenti che avranno superato la prova scritta con un punteggio di almeno 18/30. Allo studente verrà richiesto di discutere quanto riportato nella prova scritta e di rispondere a domande riguardanti argomenti svolti durante il corso.

La valutazione finale sarà data dalla media dei punteggi ottenuti nelle 3 prove suddette (valutazione delle attività svolte in laboratorio, esame scritto ed esame orale).

 

Al termine del corso saranno organizzate esercitazioni in aula per rafforzare l'abilità a risolvere gli esercizi che verranno proposti nella prova scritta.

Le esercitazioni proposte sono disponibili alla voce "Materiale Didattico, Esercizi"

Esercitazioni:

1. Martedì 08.03.2016, Aula Magna h. 16.30-18.30
2. Mercoledì 09.03.2016, Aula Magna, h. 16.00-28.00
3. Giovedì 10.03.2016, Aula Magna, h. 14.30-16.00
4. Lunedì 14.03.2016, Aula Magna, h. 14.30-16.30

 Modulo di laboratorio:

 Le 3 lezioni propedeutiche alle attività di laboratorio verteranno sulle seguenti tematiche:

•  tecniche lock-in di misura;
• tecniche e metodologie di termometria;
• tecniche e metodologie di misura di magnetometria.

 Le 2 lezioni introduttive saranno incentrate sulle rispettive esperienze di laboratorio:

• Effetto Hall: studio della concentrazione e della mobilità dei portatori di carica in un semiconduttore; studio della variazione della concentrazione dei portatori di carica in funzione della temperatura nei semiconduttori.
• Misure elettriche in  temperatura: studio del meccanismo di conduzione in materiali metallici e semiconduttori, a temperatura ambiente ed in funzione della temperatura.
• Fotoconducibilità: determinazione della gap di un semiconduttore da misure di assorbimento e transmittanza ottica.
• Diffrazione di Raggi X: studio della relazione di Bragg in un cristallo di NaCl, Misura della distanza interatomica per alcuni cristalli.
• Effetto  Zeeman: misura dell'effetto Zeeman sulle righe spettrali del cesio e determinazione del magnetone di Bohr.

 

 Lezioni in aula

Il corso si articola su 48 h (corrispondenti a 6 CFU) di lezioni ed esercitazioni che verteranno su 4 temi portanti: fisica degli atomi a molti elettroni, fisica molecolare, fisica dello stato solido e statistiche quantistiche.

Alla presentazione dei 4 temi vengono premessi dei "richiami" riguardanti principalmente argomenti di meccanica quantistica e statistica essenziali per la comprensione degli argomenti del corso. 

Il programma dettagliato per l'anno 2014/2015 è disponibile presso il sito 

http://www.solid.unito.it/Didattica/Struttura_Materia_Fisica/index-str-mat-fisica-14-15-UK.html 

Programma dell'a.a. 2015/16

Data	Referenze	Argomenti
Lesson I 18/01/2015h. 09-11, Room A	[1]-[8]	Introduction
Lesson II 20/01/2015 h. 09-11, Room A	[1] 10.3, 13.1, 13.5, [1] Example 10.1, [1] App. V,VI. [1] 10.3, 10.4, 10.6, Notes: from quantum to Boltzmann statistics	Stirling’s formula, Lagrange’s Undetermined Multiplier Bose-Einstein Statistics Boltzmann Statistics The classical partition Function Z and the introduction to the absolute temperature
Lesson III 22/01/2015 h. 09-11, Room A	[1] Example 2.3, 2.4 [1] 13.6, [4] Sez. 4-5 slides	Energy levels in a cubic potential box Density of states for a particle in a very large potential box Photon gas and the black body radiation
Lesson IV  26/01/2015 h. 11-13, Room A	[1] 13.6, [1] Example 13.5, 13.6 [4] Sez. 4-5	Spontaneous and stimulated radiative transitions Introduction to the maser/laser
Lesson V 27/01/2015 h. 09-11, Room A	[1] 10.4 [1] Example  6.2	Boltzmann-Maxwell statistics: Average energy per particle. Lattice dynamics: 1-dimensional mono-atomic chain
Lesson VI 28/01/2015 h. 11-13, Room A	[8] 49-4 Slides [1] 13.1,13.2	Quantization of the lattice vibration: phonons Thermal capacity in solids: The Einstein model. Raman Spectroscopy Fermi Dirac Statistics
Lesson VII 08/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 13.3 [1] Example 13.2 [1] 13.4 Notes : The Fermi level at the thermodynamic equilibrium Notes : The Richardson Dushman equation	Electron gas in metals Total energy of electrons at low temperature Application of Fermi-Dirac Statistics to Electrons in metals
Lesson VIII 09/02/2015 h. 09-11, Room A	[3] cap. 1: Crystal structure [1] 6.1, 6.2 [8] 47-4, slides Notes: crystalline lattice Notes: Bragg’s law	Types of solids Crystal structure x-ray diffraction
Lesson IX 10/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] Examples 6.4, 6.5 Notes: Bloch’s theorem and the Kronig-Penney model	Bloch’s theorem The Kronig-Penney model
Lesson X 11/02/2015 h. 11-13, Room A	Slides [1] 6.5	The Kronig-Penney model
Lesson XI 12/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 6.6	Electron energy bands in solids: conductors, semiconductors, insulators
Lesson XII 15/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 6.7;	Band Theory; insulator, semiconductors, conductors The effective mass concept,
Lesson XIII 17/02/2015 h. 09-11, Room A	[1] 6.7;	The Debye model of charge transport in solids; the Ohm law Exercises
Lesson XIV 18/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 3.1, 3.2; Example 3.1	Introduction to the hydrogen atom; the Bohr semiclassical model.
Lesson XV 23/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 3.3, 3.4 [9] lessons 36-39 Example 3.4, 3.5.	The spectrum of the hydrogen atom; the quantization of the angular momentum. Grotrian diagrams
Lesson XVI 24/02/2015 h. 09-11, Room A	[1] 3.5 Slides	Radiative transitions; the electronic wave function in presence of a central field
Lesson XVII 25/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 3.6, 3.7, 3.8, 3.9; Example 3.7	Zeeman; effect. The electron spin. Sum of the angular momenta. Spin-orbit interaction
Lesson XVIII 26/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 4.1,4.2, Example 4.2 slides Dispensa	The He atom. Coulomb and Exchange integrals; parahelium, orthohelium Self consistent field
Lesson XIX 29/02/2015 h. 11-13, Room A	[1] 4.3,4.4,4.5; slides	The electronic structure of atoms. The spectroscopic notation. The Slater determinant. The Hund rules. The Mendeleyev table
Lesson XX 02/03/2015 h. 11-13, Room A	[1] 4.5,4.6;	Li, Be, B atoms. The 2nd and 3rd period.
Lesson XXI 03/03/2015 h. 11-13, Room A	[1] 4.7 slides	The characteristic x-ray spectra. Seminar of Dr. Alessandro Re
Lesson XXII 04/03/2015 h. 11-13, Room A	[1] 5.1, 5.2	The H2+ molecule; the LCAO method.
Lesson XXIII 07/03/2015 h. 09-11, Room A	[1] 5.2,	The H2+ molecule; the LCAO method. The sigma bonding and anti-bonding orbitals.
Lesson XXIV 08/03/2015 h. 09-11, Room A	[1] 5.3, 5.4 Slides Notes	Electronic configuration of mononuclear diatomic molecules
Optional topics are in Italics

 

  

[1] M.Alonso, E.J.Finn, Fundamental University Physics, Vol. III, Quantum and Statistical Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 12th ed., 1980.

[2] L. Colombo, Elementi di Struttura della materia, Hoepli-Milano, 2002 

[3] C. Kittel, Introduction to solid state physics, John Wiley& Sons, 7th ed., 1996 

[4] R. P. Feynman, R.B.Leighton, M. Sands, La fisica di Feynman, vol. 3, Meccanica Quantistica, Zanichelli, 2007. 

[5] Il linguaggio delle misure a cura di INRIM.

[6] The International System of Units (SI), a cura di "Bureau International des Poids et Measures".

[7] CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants from NIST.

[8]   D. Hallyday, R.Resnik, K.S. Krane, Fisica 2, IV edizione,Casa Editrice Ambrosiana, Milano 1994.

Inoltre, sono disponibili presso questo sito alla voce "materiale didattico":

- note in appoggio agli argomenti trattati a lezione,

- copia delle diapositive powerpoint presentate a lezione

- esempi di problemi risolti,

- dispense dei docenti con la fisica e la spiegazione delle esperienze

- manuali della strumentazione utilizzata

Il corso si svolge nel secondo periodo didattico e comprende: 

• lezioni frontali con esercitazioni in aula per un totale di 48 ore (6 CFU) riguardanti una introduzione alla fisica atomica, molecolare e dello stato solido;
• lezioni frontali propedeutiche su tecniche e metodologie sperimentali di fisica dello stato solido (6 ore) e lezioni introduttive  alle esperienze di laboratorio (4 ore), per un totale di 10 ore (1 CFU);
• attività  sperimentali in laboratorio, per un totale di 20 ore (2 CFU).

È richiesta l'iscrizione al corso tramite

1. registrazione mediante procedura CampusNet
2. comunicazione ai docenti delle esperienze di laboratorio delle preferenze relative alla composizione dei gruppi di laboratorio ed ai turni di laboratorio.

 Modalità d'esame

Il calendario degli appelli è riportato  sul sito Esse3 di Ateneo.

Appelli straordinari possono essere concessi solo a studenti in procinto di discutere la tesi finale, che non abbiano più alcun corso da seguire e a cui rimanga soltanto un esame da sostenere.

AVVISO: è disponibile la registrazione delle lezioni del corso sul sito:
http://elearning.moodle2.unito.it/df/