- Oggetto:
- Oggetto:
Struttura della materia con laboratorio
- Oggetto:
Atomic and solid state physics with Laboratory experiments
- Oggetto:
Anno accademico 2019/2020
- Codice dell'attività didattica
- MFN1319
- Docenti
- Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Dott. Federico Picollo (Titolare del corso)
Prof. Jacopo Forneris (Titolare del corso) - Corso di studi
- 008703 Laurea in Fisica
- Anno
- 3° anno
- Periodo didattico
- Secondo periodo didattico
- Tipologia
- B=Caratterizzante
- Crediti/Valenza
- 9
- SSD dell'attività didattica
- FIS/03 - fisica della materia
- Modalità di erogazione
- Doppia
- Lingua di insegnamento
- Italiano
- Modalità di frequenza
- Obbligatoria
- Tipologia d'esame
- Scritto ed orale
- Prerequisiti
-
I corsi del 1o biennio e Meccanica Quantistica I
The courses of the first two years and Quantum Mechanics I
- Propedeutico a
-
Introduzione alle Nanoscienze
Introduction to nanosciences - Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
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.
The course is aimed at provide an introduction to the modern atomic, molecular and solid state physics and to the experimental techniques, which are necessary for the conduction of an experiment on the structure of matter.
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
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
Knowledge and understanding
- understanding the basic concepts of modern Matter Physics and acquisition of the physical models for a comprehensive interpretation of phenomena in amotic physics, molecular physics and solid state physics
- understanding of the functionalities of laboratory equipment and of relevant experimental techniques in Matter Physics
- understanding the proper statistical manipulation and interpretation of experimental data for the implementation of rigorous physical measurements
Applying knowledge and understanding
- ability to understand and manage fundamental physical models to interpret atomic, molecular or solid state phenomena
- ability to evaluate the order of magnitude of the physical observables, to perform basic calculations and to solve simple problems relevant to the structure of matter
- ability to take experimental measurements, using modern instrumentation and adopting a suitable experimental protocol
- ability to interpret the experimental data using a correct statistical data analysis
- ability to write a clear scientific report, using correct scientific terminology
- Oggetto:
Modalità di insegnamento
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.
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.
AVVISO per i componenti dei gruppi di laboratorio dei turni di laboratorio C e D: la didattica laboratoriale verrà sostutivamente erogata in modalità telematica nell'arco della settimana dal 23/03/2020 al 27/03/2020. Tutte le relative informazioni sono state fornite agli studenti interessati, facendo riferimento al database degli studenti iscritti alla piattaforma CampusNet. In caso di problemi, si prega di contattare i docenti del modulo di laboratorio (J. Forneris, F. Picollo, P. Olivero). La consegna delle relazioni di laboratorio per quanti vogliono accedere alla sessione esami di marzo-aprile è fissata per venerdì 03/04/2020.
- Oggetto:
Modalità di verifica dell'apprendimento
IMPORTANTI AGGIORNAMENTI SULLE MODALITÀ DI CONDUZIONE DEGLI ESAMI PER VIA TELEMATICA
In concomitanza con l'emergenza COVID-19, ed in ottemperanza al decreto rettorale rep. 1097/2020 del 20/03/2020, i docenti hanno definito le nuove modalità di conduzione degli esami per via telematica, che sono dettagliate nel documento accessibile nella sezione "Materiale didattico" a questo link.
Il calendario degli esami è accessibile nella sezione "Materiale didattico" a questo link. IMPORTANTE: a partire dal 14/04, la calendarizzazione potrebbe subire variazioni o aggiornamenti, che verranno comunque comunicate tempestivamente agli studenti. Come dettagliato nel documento suddetto, la calendarizzazione dei candidati sarà definita sulla base dell'ordine di registrazione oppure sulla base di un calendario concordato dai candidati.
I testi degli esercizi numerici proposti agli studenti durante gli esami relativi alla parte frontale del corso sono accessibili nella sezione "Materiale didattico" a questo link.
Presso questa pagina saranno pubblicati i link alle video-conferenze WebEx che saranno attivate per ciasun appello, in modo che tutti gli studenti interessati possano parteciparvi come auditori.
- appello #1, 26/03/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 11:00), modulo "laboratorio" (ore 11:00);
- appello #2, 27/03/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 11:00), modulo "laboratorio" (ore 11:00);
- appello #3, 30/03/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 11:00), modulo "laboratorio" (ore 11:00);
- appello #4, 31/03/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 11:00), modulo "laboratorio" (ore 11:00);
- appello #5, 01/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 11:00), modulo "laboratorio" (ore 11:00);
- appello #6, 02/04/2020: modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #7, 03/04/2020: modulo "laboratorio" (ore 11:00);
- appello #8, 06/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #9, 07/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #10, 08/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #11, 09/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" [LINK ALTERNATIVO in caso di problemi tecnici; password riunione: Mfh88WU4m3M](ore 10:00);
- appello #12, 14/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #13, 15/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #14, 16/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #15, 17/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #16, 20/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 11:15), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #17, 21/04/2020: modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #18, 22/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #19, 23/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 11:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #20, 24/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #21, 27/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #22, 28/04/2020: modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #23, 29/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- appello #24, 30/04/2020: modulo "lezioni frontali" (ore 10:00), modulo "laboratorio" (ore 10:00);
- Oggetto:
Attività di supporto
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:
At the end of the course, numerical exercises will performed to strengthen exercise solving skills, in view of the written exam.
The exercises are available in the "Materiale Didattico, Esercizi" section
Classroom exercises:
- Oggetto:
Programma
Video Lezioni
dell'anno 2015/16 e le lezioni XVIII-XXIV sul sito moodle
https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=195
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.
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.
- 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.
Video Lectures
of the 2015/16 academic year and lectures XVIII-XXIV are available at the moodle page
https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=195
Lectures
The course is articulated on 48 hours (corresponding to 6 CFU) of lectures and numerical exercises which will be focused on 4 main topics: physics of multi-electronic atoms, molecular physics, solid state physics and quantum statistics. Before these topics, "summary" lectures are given on basic topics of quantum mechanics and statistics which are essential for the understanding of the topics of the course.
where, for each lecture, the teacher will report the topic of the lecture, the bibliographic references and numerical exercises.
Laboratory module
The 3 general lectures will be focused on the following topics:
- lock-in techniques;
- thermometry techniques and methodologies;
- magnetometry techniques and methodologies.
The 2 introductory lectures will be focused on the respective laboratory experiences:
- Hall effect: study of the concentration and mobility of charge carriers in semiconductors; study of the variation of charge carriers concentration vs temperature in semiconductors.
- Photoconductivity: determination of the forbidden gap in a semiconductor from optical absorption and transmissione measurements.
- X-ray diffraction: study of Bragg diffraction conditions in a NaCl crystal, measurement of the interatomic distace in several crystals.
- Zeeman effect: study of the Zeeman effect on the emission lines of caesium and determination of the Bohr magneton.
Date References Topics Lesson I
21/01/2020
09-11, Aula Magna
- [1]-[8]
Lesson I
22/01/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 3.1, 3.2; Example 3.1
- [1] 3.3
- Introduction to the hydrogen atom;
- the Bohr semiclassical model.
- The spectrum of Hydrogen
Lesson II
24/01/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 3.4
- [8] chapter 51
- [1] 3.5
- Example 3.5.
- The quantization of the angular momentum.
- One-electron Wave Functions Under Central Forces.
Lesson III
29/01/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 3.4, 3.6
- Exercises
- Selection rules
- Grotrian diagrams
- The Zeeman effect
- Exercises on the hydrogen atom
Lesson IV
30/01/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 3.7, 3.8, 3.9; Example 3.7
- Slides
- the Stern-Gerlach experiment. The electron Spin
- Addition of Angular momenta
- Spin-orbit interaction
Lesson V
31/01/2020
h. 09-11 Aula Magna
- Exercises on the hydrogen atom
- The He atom.
- Self consistent field
Lesson VI
05/02/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 4.3 Example 4.2,
- Coulomb and Exchange integrals; parahelium, orthohelium
- The exclusion principle
- The Slater determinant
Lesson VII
07/02/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 4.3,4.4,4.5;
- slides
- The electronic structure of atoms.
- L-S coupling
- The spectroscopic notation.
Lesson VIII
10/02/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 4.5,4.6;
- The Periodic table
- The Hund rules.
- The spectroscopic notation
Lesson IX
11/02/2020
h. 11-13, Aula Magna
- [1] 4.5,4.6;
- The Periodic table
- The spectroscopic notation
- Dipole selection rules
- Exercises
Lesson X
12/02/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 4.7
- slides
- The characteristic x-ray spectra.
- Exercises on Atomic Physics
Lesson XI
14/02/2020
h. 09-11, Aula Magna
- The H2+ molecule; the LCAO method.
Lesson XII
17/02/2020
h. 11-13, Aula Magna
- The H2+ molecule; the LCAO method.
- Molecular orbitals of diatomic molecules
Lesson XIII
18/02/2020
h. 09-11, Aula Magna
- [1] 5.4
- Notes
- [1] Example 5.3, 5.5
- The electronic configuration of some diatomic molecules
- Heterogeneous diatomic molecules
- The ionic binding
Lesson XIV
19/02/2020
h. 11-13, Aula Magna;
- [1] 6.1, 6.2
- [3] cap. 1: Crystal structure
- [8] 47-4,
- slides
- Notes: crystalline lattice
- Types of solids
- Crystal structure
Lesson XV
20/02/2020
h. 11-13, Aula Magna
- x-ray diffraction
Lesson XVI
Video Lecture
- [1] Example 6.2
- Video lecture - Lattice Dynamics
- Video Lecture - Phonons
- Lattice dynamics: 1-dimensional mono-atomic chain
- Phonons
Lesson XVII
Video Lecture
- [1] [1] 13.1, 13.5
- [4] Sez. 4-5
- [1] 10.2, 10.3,11.9
- [1] Example 10.1,
- [1] App. V,VI.
- Video Lecture - Bose-Einstein Statistics
- Notes: from quantum to Boltzmann statistics
- Video Lecture - From quantum to Boltzmann Statistics
- Stirling's formula,
- Lagrange's Undetermined Multiplier
- Quantum statistics: the Bose-Einstein distribution law
- From quantum to Boltzmann statistics
Lesson XVIII
Video Lecture
- Equipartition energy theorem
- Dulong-Petit law
- Thermal capacity in solids: The Einstein model.
- Raman Spectroscopy (optional)
Lesson XIX
Video Lecture
- [1] 1.3, 13.6
- [1] Example 1.2, 1.3, 1.4, 13.5, 13.6
- [4] Sez. 4-5
- slides
- Video Lecture - The photon gas
- Video Lecture - The black body radiation
- Video Lecture - Introduction to laser
- The photon gas
- The Black-body radiation
- Spontaneous and stimulated radiative transitions
- Introduction to the maser/laser
Lesson XX
Video Lecture
- [1] 13.2, 13.3
- notes
- Video Lecture - Fermi Dirac Statistics_1
- Fermi Dirac Distribution Law
- The electron gas
Lesson XXI
Video Lecture
- The electron gas
- Total energy of electrons at low temperature
- Applications of Fermi-Dirac Statistics to Electrons in metals
Lesson XXII
Video Lecture
- [1] Example 6.7
- [3] Cap. 6
- Video Lecture - Conductivity
- Quantum Theory of Electrical Conductivity
- The Drude model
Lesson XXIII
Video Lecture
- Electron motion in a periodic structure
- The Bloch theorem and the Kronig-Penney model
- Slides
Lesson XXIV
Video Lecture
- Conductors, Insulators and Semiconductors
- Radiative transitions in solids
Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
[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.
[9] Peter William Atkins, Julio de Paula, Chimica fisica, Zanichelli 2012, ISBN: 9788808261380
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
[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.
[9] Peter William Atkins, Julio de Paula, Chimica fisica, Zanichelli 2012, ISBN: 9788808261380
On this website, the following material is availanle from the "materiale didattico" link:
- lecture notes,
- copy of powerpoint slides of the lectures
- examples of solved numerical problems
- notes of the laboratory experiences
- manuals of employed instrumentation in the laboratory experiences
- Oggetto:
Orario lezioni
Lezioni: dal 12/01/2017 al 15/03/2017
Nota: Orario visualizzabile alla sezione "Orario lezione"
- Oggetto:
Note
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
- registrazione mediante procedura CampusNet
- comunicazione ai docenti delle esperienze di laboratorio delle preferenze relative alla composizione dei gruppi di laboratorio ed ai turni di laboratorio.
AVVISO: è disponibile la registrazione delle lezioni del corso sul sito:
https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=195https://elearning.unito.it/scienzedellanatura/course/view.php?id=195The course takes place during the second teaching period and it includes:
- lectures with numerical exercises for a total of 48 hours (6 CFU) on the introduction to atomic, molecular and solid state physics;
- general lectures on experimental techniques and methodologies in solid state physics (6 hours) and introductory lectures to the laboratory experiences (4 hours), for a total of 10 hours (1 CFU);
- laboratory activities, for a total of 20 hours (2 CFU).
Students are requested to enrol to the course by
- registering on the CampusNet procedure
- communicating to the teacher of the laboratory experiences their preferences with regards to the composition of laboratory groups and laboratory turns.
- Oggetto: