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Oggetto:
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Struttura della materia con laboratorio

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Atomic and solid state physics with Laboratory experiments

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Anno accademico 2020/2021

Codice attività didattica
MFN1319
Docenti
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Dott. Federico Picollo (Titolare del corso)
Prof. Jacopo Forneris (Titolare del corso)
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Corso di studio
008703 Laurea in Fisica
Anno
3° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
9
SSD attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Erogazione
Mista
Lingua
Italiano
Frequenza
Obbligatoria
Tipologia 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
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

Gli obiettivi del corso sono orientati verso una introduzione alle statistiche quantistiche ed 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.

 EMERGENZA SANITARIA: Obiettivi formativi invariati.

 

The course is aimed at provide an introduction to quantum statistics as well as 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.

 SANITARY EMERGENCY: The objectives of the course are unchanged.

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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 modellizzazione delle statistiche quantistiche ed una 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 la modellizzazione delle statistiche quantistiche e 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

EMERGENZA SANITARIA: Risultati dell'apprendimento invariati.


Knowledge and understanding

  • understanding the basic concepts of modern Matter Physics and acquisition of the physical models for an effective modeling of quantum statistics as well as 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 model quantum statistics and 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

 SANITARY EMERGENCY: The expected learning results of the course are unchanged.

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Programma

Lezioni frontali

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.

EMERGENZA SANITARIA: Programma invariato.

 

 

Frontal 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.  

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.

SANITARY EMERGENCY: The program of the course is unchanged.



Orario lezioni frontali del modulo di laboratorio

11/01/2021   h 9-11  Lezione introduttiva congiunta SdM/IFNS  https://unito.webex.com/unito/j.php?MTID=m631accdcba867fd206ec32597b48b240

21/01/2021   h 9-11  Tecniche di Magnetometria              Federico Picollo  https://unito.webex.com/meet/federico.picollo

25/01/2021   h 9-11  Tecniche di Termometria                 Federico Picollo  https://unito.webex.com/meet/federico.picollo

26/01/2021   h 9-11  Amplificazione lock-in                     Jacopo Forneris  https://unito.webex.com/meet/jacopo.forneris

28/01/2021   h 9-11  Effetto Hall (I), Fotocondicibilità (I)  Jacopo Forneris  https://unito.webex.com/meet/jacopo.forneris

28/01/2021   h 9-11  Diffrazione Raggi X                         Federico Picollo  https://unito.webex.com/meet/federico.picollo

29/01/2021   h 9-11  Fotocondicibilità (II)                       Jacopo Forneris  https://unito.webex.com/meet/jacopo.forneris

29/01/2021   h 9-11  Diffrazione Raggi X (II)                   Federico Picollo  https://unito.webex.com/meet/federico.picollo

01/02/2021   h 9-11  Effetto Hall (II)                              Jacopo Forneris   https://unito.webex.com/meet/jacopo.forneris

02/02/2021   h 9-11  Effetto Zeeman (I)                         Jacopo Forneris  https://unito.webex.com/meet/jacopo.forneris

04/02/2021   h 9-11  Effetto Zeeman (II)                        Jacopo Forneris  https://unito.webex.com/meet/jacopo.forneris

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Modalità di insegnamento

Lezioni frontali

Il corso si articola su 48 h (corrispondenti a 6 CFU) di lezioni ed esercitazioni in aula 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.

La frequenza alle lezioni frontali è facoltativa.

Modulo di laboratorio

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

  • 3 lezioni in aula (6 ore) propedeutiche su tematiche generali di tecniche e metodologie nella fisica sperimentale della materia;
  • 2 lezioni in aula (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 in laboratorio (20 ore), 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.

EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, verrà garantita l'erogazione di tutte le lezioni frontali in modalità telematica sincrona, ovvero seguendo una ben definita calendarizzazione delle lezioni stesse nel periodo didattico. Tali video-lezioni potranno consistere in registrazioni di lezioni in presenza oppure in video-registrazioni prodotte dai docenti in separata sede. In ogni caso, le video-registrazioni saranno successivamente disponibili per lo scaricamento dalla pagina e-learning/moodle del corso. Per quanto riguarda il modulo di laboratorio del corso, verrà garantita l'erogazione della didattica laboratoriale in presenza compatibilmente con le normative vigenti, ovvero in termini di numero massimo di frequentatori simultanei del laboratorio. Eventuali rimodulazioni della calendarizzazione delle sessioni laboratoriali saranno valutate dai docenti sulla base dei vincoli che saranno imposti all'accessibilità dei laboratori.

Frontal lectures

The course is organized on 48 hours (corresponding to 6 CFU) of frontal 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. For each lecture, the teacher will report the topic of the lecture, the bibliographic references and numerical exercises.

The attendance to the frontal lectures is facultative.

Laboratory module

The laboratory module is articulated in 30 hours, which are structured as follows:

  • 3 general lectures (6 hours) on topics related to techniques and methodologies in experimental matter physics;
  • 2 introductory lectures (4 hours) to the laboratory experiences; each group needs to attend only the lectures relevant to their specific  laboratoryactivity;
  • 5 laboratory sessions (20 hourse), in which each group will practice one of the activities indicated in the program.

The attendance to the laboratory module is compulsory.

SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, all lectures will be given online in synchronous mode, i.e. by following the planned timetable of the lectures during the teaching period. The video-lectures will consist of live recordings of the lectures given to the students, or alternatively of recordings of lectures givenremotely by the teachers. In both cases, the recordings will be downloadable from the e-learning/moodel webpage of the course. As for the laboratory part of the course, the laboratory sessions in physical presence will be guaranteed, compatibly with the concurrent rules of access to the institute, particularly with regards to the maximum number of students allowed at the same time in the laboratories. Possible modifications to the laboratory sessions timetable will be evaluated by the teachers on the basis of the above-mentioned rules of access.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

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 ultima prova scritta) 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.

Importante: la frequenza alle lezioni di laboratorio ha una validità di 2 anni, dopo di che se non si è sostenuto l'esame di laboratorio è necessario svolgere nuovamente il laboratorio (su un'altra esperienza) e produrre una nuova relazione.

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). 

EMERGENZA SANITARIA: Tali modalità di verifica dell'apprendimento potranno subire variazioni sulla base di future disposizioni emanate dall'Ateneo e/o dal Corso di Studi.

 

The exam is organized as follows:

  • evaluation of the  the experimental activities carried out in the laboratory, aimed to verify the ability of the student to properly use experimental protocols and the laboratory instrumentation and to perform a suitable data analysis.The exam is organized as follows:
    • evalutation of the reports: The laboratory groups will have to present their group-based laboratory reports to the teacher within 7 days from the conclusion of the laboratory sessions. The reports will be evaluated by the teacher.
    • oral exam: only students with a sufficient evaluation of their laboratory reports will be admitted to this exam. The exam will be focused on i) the physics, the instrumentation and the results obtained from the analysis of acquired data, relatively to the laboratory experience performed by the student; ii) the subjects presented in the general and introductory lectures.
  • a written exam regarding numerical exercises of atomic physics and solid state physics, aimed to verify the ability of the student to properly apply the fundamental physical models for the physical phenomena at the atomic scale, to master the order of magnitude of the physical observables and to solve problems relevant to material properties. The exam will consiste in numerical exercise of atomic physics, quantum statistics and solid state physics; the duration of the exam is 2 hours. Students will not be allowed to carry books or notes; synthetic notes (with fundamental constants, periodic table of elements, several fundamental formulas) will be available to support the students in the exam. The written exam taken in a session is only valid for that session. If two exams are scheduled in a session, a student that took both exams can undertake the oral exam after choosing the highest of the two marks.
  • an oral exam relevant to topics trated during the course lectures, aimed to verify the knowledge of the fundamental physical models relevant to the atom and molecular physics, statistical physics and solid state physics.Only students with a sufficient (i.e. 18/30) mark from the written exam will be admitted to the oral exam. The exam will be focused on the discussion of the written exam and on topics trated during the course lectures.

Important: the frequency of the laboratory sessions has a validity of 2 years. After therse 2 years, if the student has not given the laboratory exam, he/she will have to follow again the laboratory sessions (with a different lab experience) and produce a new lab report.

The final mark will result from the average of the marks obtained in the 3 above-mentioned exams (evaluation of the laboratory activities, written exam, oral exam).

SANITARY EMERGENCY: Such procedures will be subject to possible variations, on the basis of future dispositions of the University of Torino and/or of the Physics Degree council.

 

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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"

EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, le esercitazioni verranno organizzate per via telematica, seguendo le stesse modalità sostitutive adottate per le lezioni frontali.

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

SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, the numerical exercise session will be held online, by following the same organization of the substitutional frontal lectures.

 

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Testi consigliati e bibliografia

[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. HallydayR.Resnik, K.S. KraneFisica 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

EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, le necessarie misure verranno intraprese per rendere facilmente accessibile in remoto il materiale didattico integrativo.

[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. HallydayR.Resnik, K.S. KraneFisica 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

SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, all necessary measures will be adopted to facilitate the remote access to the support teaching material.

 

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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 alle statistiche quantistiche ed 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.

EMERGENZA SANITARIA: Nel perdurare della emergenza sanitaria, l'organizzazione delle lezioni frontali e di laboratorio sarà modificata come dettagliato nella sezione "Modalità di insegnamento". Le modalità di iscrizione al corso restano invariate.


The 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

  1. registering on the CampusNet procedure
  2. communicating to the teacher of the laboratory experiences their preferences with regards to the composition of laboratory groups and laboratory turns.

SANITARY EMERGENCY: In concurrence with the sanitary emergency, online teaching and of laboratory activities will be re-organized as described in the "Modalità di insegnamento" section. The course enrolment procedures are unchanged.

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Orario lezioniV

Lezioni: dal 11/01/2021 al 12/03/2021

Nota: Orario visualizzabile alla sezione "Orario lezione"

Registrazione
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    Ultimo aggiornamento: 13/01/2021 11:03
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