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Oggetto:
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Struttura della materia con laboratorio (corso B)

Oggetto:

Structure of Matter with Laboratory (course B)

Oggetto:

Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
MFN1319
Docenti
Ettore Vittone (Titolare del corso)
Corso di studio
008703 Laurea in Fisica
Anno
3° anno
Periodo
Secondo semestre
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
9
SSD attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto ed orale
Prerequisiti

Gli insegnamenti 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 insegnamento

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Obiettivi formativi

Questo insegnamento concorre agli obiettivi formativi del corso di laurea in Fisica orientati ad una solida formazione di base in fisica moderna, ed è volto a fornire le conoscenze fondamentali della fisica atomica (atomi a più elettroni), delle molecole semplici , dello stato solido e delle statistiche quantistiche.

L'insegnamento, integrato con la parte di attività laboratoriale (vedi il relativo sito CAMPUSNET), fornirà anche un'introduzione ad alcune metodologie sperimentali adottate nell’ambito di Fisica della Materia, con l’obiettivo di far acquisire alle/agli studentesse/i  confidenza nell'uso della strumentazione, autonomia di lavoro e di consolidare le competenze nell’analisi dei dati sperimentali e nella loro presentazione critica sotto forma di elaborato tecnico.

 

In compliance with the educational objectives of the degree course in Physics oriented to a solid basic training in modern physics and is aimed to provide an introduction to quantum statistics as well as to modern atomic, molecular and solid state physics. 

The course, integrated with the laboratory part (see the CAMPUSNET web page), will provide an introduction to some experimental methodologies, with the objective to give students basic knowledge in the use of the instrumentation, autonomy of work, and strengthening skills in data analysis and in the preparation of technical reports on the conduction of experiments on the structure of the matter field.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione

  • Per la parte relativa alle lezioni frontali:
    • conoscenza dei concetti alla base della moderna Fisica della materia e capacità di comprensione dei modelli fisici per una adeguata interpretazione dei fenomeni di fisica atomica, molecolare e dello stato solido ed applicazione delle statistiche quantistiche. 
  • Per la parte relativa alla attività laboratoriale (vedi il relativo sito CAMPUSNET):
    • 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

  • Per la parte relativa alle lezioni frontali:
    • 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 e le statistiche quantistiche
    • capacità di valutare gli ordini di grandezza, di svolgere calcoli elementari e di risolvere semplici problemi riguardanti la struttura della materia
  • Per la parte relativa alla attività laboratoriale:
    • 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

  • as regards the lectures:
    • knowledge of the basic concepts of modern Matter Physics and understanding of the physical models for a comprehensive interpretation of phenomena in atomic physics, molecular physics, and solid-state physics and for the application of the quantum statistics
  • As regards the laboratory activities (see the relevant CAMPUSNET web page):
    • 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

  • As regards the lectures:
    • ability to understand and master the fundamental physical models to interpret phenomena at the atomic or molecular scale or regarding the solid state physics or quantum statistics
    • 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
  • As regards the laboratory activities (see the CAMPUSNET web page):
    • ability to make measurements, using modern instrumentation and adopting suitable experimental protocols
    • ability to interpret the experimental data using a correct statistical data analysis
    • ability to write a clear scientific report, using correct scientific terminology
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Programma

Lezioni frontali

L'insegnamento si articola su 48 h (corrispondenti a 6 CFU) di lezioni ed esercitazioni

  1. Fisica Atomica:
    • Atomo di idrogeno
    • Atomo di elio
    • Atomi multielettronici
    • Il sistema periodico degli elementi
  2. Fisica Molecolare:
    • Approssimazione di Born-Oppenheimer
    • Metodo LCAO
    • Molecola H2+
    • Molecole biatomiche omonucleari
    • Molecole biatomiche eteronucleari 
  3. Statistiche quantistiche
    • Statistica di Fermi Dirac
    • Statistica di Bose-Einstein
      • Radiazione di corpo nero
      • transizioni spontanee e stimolate
      • Laser
  4. Fisica dello Stato Solido
    • Struttura Cristallina
    • Diffrazione dei raggi x
    • Vibrazioni reticolari
    • il concetto di fonone
    • Capacità termica dei solidi
    • Gas di Fermi
    • Conduzione elettrica nei solidi
      • Modello di Drude
      • Modello quantistico
    • Introduzione alla teoria delle bande
      • Modello di Kronig Penney
      • Metalli, isolanti, semiconduttori

Il programma dettagliato è riportato in Moodle.


Attività laboratoriali 

Si veda le descrizione dettagliata nella pagina CAMPUSNET dedicata

https://fisica.campusnet.unito.it/do/corsi.pl/Show?_id=rrwc

 

Frontal lectures

The course consists of 48 hours (corresponding to 6 CFU) of lectures and numerical exercises 

  1. Atom Physics:
    • The hydrogen atom 
    • The helium atom 
    • Multi electron atoms
    • The periodic system of elements
  2. Molecular physics:
    • The Born-Oppenheimer approximation
    • The LCAO method
    • The  H2+ molecule
    • Bi-atomic homonuclear molecules 
    • Bi-atomic heteronuclear molecules 
  3. Quantum statistics
    • The Fermi-Dirac statistics
    • The Bose-Einstein statistics 
      • Black body radiation 
      • Spontaneous and stimulated transitions
      • Laser
  4. Solid state physics
    • Crystalline structure 
    • x-ray diffraction
    • Lattice vibrations 
    • Phonons
    • Specific heat of solids
    • Fermi gas
    • Electrical conduction in solids
      • The Drude model 
      • The quantum model 
    • Introduction to the band theory
      • The Kronig Penney model
      • Metals, insulators, semiconductors

The detailed program is available at this link.


Laboratory activities:

The program is given on the CAMPUSNET page 

https://fisica.campusnet.unito.it/do/corsi.pl/Show?_id=rrwc

 

Oggetto:

Modalità di insegnamento

Tutta l'attività didattica si svolgerà in presenza, salvo nuove disposizioni rettorali, secondo quanto riportato nel sito web dell'ateneo.

Lezioni frontali

L'insegnamento si articola su 48 h (corrispondenti a 6 CFU) di lezioni ed esercitazioni che verteranno su 4 temi portanti: fisica atomica, fisica molecolare, fisica dello stato solido e statistiche quantistiche.

La frequenza alle lezioni frontali è facoltativa.

Sono previsti ulteriori momenti di didattica integrativa per gli/le studenti/studentesse (collegiali, a piccoli gruppi o individuali) online o, dove possibile, in presenza con chi può e online con chi segue la didattica a distanza .

Attività laboratoriali

Le modalità di insegnamento riguardanti le attività laboratoriali sono disponibili alla pagina CAMPUSNET dedicata: 

https://fisica.campusnet.unito.it/do/corsi.pl/Show?_id=rrwc

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.

All teaching activities will be conducted in presence, in agreement with the provisions of the University on the website.

Lectures:

The course is organized on 48 hours (corresponding to 6 CFU) of lectures and numerical exercises. which will be focused on 4 main topics: atomic physics; molecular physics, solid-state physics, and quantum statistics. 

Attendance at the frontal lectures is not mandatory.

Meetings or other teaching activities will be organized in presence or online.

Laboratory activities

The teaching organization of the laboratory activities is given in the CAMPUSNET web page:

https://fisica.campusnet.unito.it/do/corsi.pl/Show?_id=rrwc

 Attendance of the laboratory activity is compulsory. 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Le prove di verifica si svolgeranno in presenza, salvo nuove disposizioni rettorali, secondo quanto riportato nel sito web dell'ateneo

La verifica dell'apprendimento si svolgerà secondo le seguenti modalità:

  • 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 le/gli studentesse/i 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. La valutazione della prova scritta sostenuta in una sessione d'esame vale per tutta la sessione e solo per quella. Nel caso ci siano due o più appelli nella stessa sessione lo studente che superi entrambi gli scritti della sessione si presenterà alla prova orale con l'ultima valutazione ottenuta.
  • 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, la fisica dello stato-solido. Saranno ammessi al colloquio le/gli studentesse/i 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 l'insegnamento. Il voto della prova scritta mantiene la sua validità per tutta la sessione d'esame. Se la prova orale risulta insufficiente, si annulla il voto della prova scritta.

Importante: la frequenza alle attività laboratoriali 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). 

Per la valutazione dell'attività laboratoriale, si veda la relativa pagina CAMPUSNET:

https://fisica.campusnet.unito.it/do/corsi.pl/Show?_id=rrwc

The exams will take place in presence, in agreement with the provisions of the University on the website .

The exam is organized as follows:

  • evaluation of 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 suitable data analysis. The exam is organized as follows:
    • Evaluation 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, relative 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 consist of numerical exercises in atomic physics, quantum statistics, and solid-state physics; the duration of the exam is 2 hours. Students will not be allowed to use books or notes; synthetic notes (with fundamental constants, periodic table of elements, and several fundamental formulas) will be available to support the students in the exam. The mark of the written exam taken in a session is only valid for that (whole) session. If two or more exams are scheduled in a session, a student that took both exams can undertake the oral exam with the last mark.
  • an oral exam relevant to topics treated during the course lectures, aimed to verify the knowledge of the fundamental physical models relevant to 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 treated during the course lectures. The mark of the written exam keeps its validity for the whole exam session. If the student does not pass the oral exam, then the mark of the written exam loses its validity.

Important: the frequency of the laboratory sessions has a validity of 2 years. After these 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). 

Oggetto:

Attività di supporto

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

Le esercitazioni proposte sono disponibili in Moodle.

At the end of the course, numerical exercises will be performed to strengthen exercise-solving skills, in view of the written exam.

The exercises are available in Moodle.

 

Testi consigliati e bibliografia



Oggetto:
Libro
Titolo:  
Fundamental University Physics, Vol III, Quantum and Statistical Physics
Anno pubblicazione:  
1980
Editore:  
Addison Wesley Publishing Inc. 12th ed.,
Autore:  
M. Alonso, E.J. Finn
ISBN  
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
Elementi di struttura della materia
Anno pubblicazione:  
2002
Editore:  
Hoepli Milano
Autore:  
Luciano Colombo
ISBN  
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
Introduction to Solid State Physics
Anno pubblicazione:  
1996
Editore:  
John Wiley & Sons
Autore:  
Charles Kittel
ISBN  
Obbligatorio:  
No


Oggetto:
Libro
Titolo:  
La fisica di Feynman, vol. 3, Meccanica Quantistica
Anno pubblicazione:  
2007
Editore:  
Zanichelli
Autore:  
R. P. Feynman, R.B.Leighton, M. Sands
ISBN  
Obbligatorio:  
No
Oggetto:

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

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

[7]   D. HallydayR.Resnik, K.S. KraneFisica 2, IV edizione,Casa Editrice Ambrosiana, Milano 1994.

[8]  Peter William Atkins, Julio de Paula, Chimica fisica, Zanichelli 2012, ISBN: 9788808261380

Inoltre, sono disponibili presso la piattaforma Moodle:

- 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

 

[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 Moodle:

- 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:

Note

Registrazione
  • Aperta
    Apertura registrazione
    23/02/2024 alle ore 00:00
    Chiusura registrazione
    31/07/2024 alle ore 12:00
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 23/02/2024 19:24
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