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Oggetto:
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Struttura della materia con laboratorio

Oggetto:

Atomic and solid state physics with Laboratory experiments

Oggetto:

Anno accademico 2013/2014

Codice dell'attività didattica
MFN1319
Docenti
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Prof. Stefano Giovanni Spataro (Esercitatore)
Corso di studi
008703 Laurea in Fisica
Anno
3° anno
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
9
SSD dell'attività didattica
FIS/03 - fisica della materia
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Modalità d'esame
L'esame si articolerà in quattro prove:

Relazioni di laboratorio: le relazioni di gruppo delle esperienze di laboratorio dovranno essere consegnate al docente entro 7 giorni dalla conclusione delle esperienze stesse. Le relazioni verranno valutate dal docente.

Prova Orale (lezioni di laboratorio): saranno ammessi al colloquio gli studenti che avranno riportato una votazione sufficiente della loro relazione di laboratorio. Nell'esame verranno discusse la fisica, la strumentazione utilizzata ed i risultati dei dati analizzati relativi all'esperienza svolta in laboratorio.

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 (lezioni frontali): 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 4 prove (valutazione delle relazioni di laboratorio, esame scritto e 2 esami orali).

The exam will be articulated in four parts:

Laboratory 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 (laboratory experiences): only students with a sufficient evaluation of their laboratory reports will be admitted to this exam. The exam will be focused on the physics, the instrumentation and the results obtained from the analysis of acquired data, relatively to the laboratory experience performed by the student.
Written exam: 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.

Oral exam (lectures): 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.

The final mark will result from the average of the marks obtained in the 4 above-mentioned exams (evaluation of the laboratory reports, written exam, 2 oral exams).

Prerequisiti
-
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Sommario insegnamento

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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 to 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.

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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 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
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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avverrà attraverso

  • la valutazione delle relazioni sulle attività svolte in laboratorio,
  • una prova scritta riguardante esercizi di Fisica atomica e dello stato solido
  • colloqui riguardanti gli argomenti trattati nelle lezioni frontali e sulle attività svolte in laboratorio.

The exam is organized as follows:

  • evaluation of the reports on the experimental activities carried out in the laboratory
  • a written exam regarding numerical exercises of atomic physics, quantum statistics and solid state physics
  • oral exams relevant to topics trated during the course lectures and to the laboratory activities.

 

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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.

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

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Programma

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 è disponibile presso il sito 

http://www.dfs.unito.it/solid/Didattica/Struttura_Materia_Fisica/index-str-mat-fisica-13-14-UK.html

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

Il programma svolto nell'AA 2012-2013 è disponibile al sito

http://www.dfs.unito.it/solid/Didattica/Struttura_Materia_Fisica/index-str-mat-fisica-12-13.html

Lezioni propedeutiche alle attività di laboratorio:

Le lezioni propedeutiche alle attività di laboratorio sono così organizzate:

  • 3 lezioni (6 ore) su tematiche generali di tecniche e tecnologie nella fisica sperimentale della materia (tecniche lock-in di misura, tecniche di misura della temperatura, tecniche di misura del campo magnetico);
  • 2 lezioni (4 ore) per ognuna delle esperienze di laboratorio; ogni gruppo è tenuto a seguire soltanto le lezioni introduttiva all'esperienza che verrà svolta in laboratorio.

La partecipazione alle lezioni propedeutiche è obbligatoria, pena l'esclusione dalle esperienze di laboratorio.

Esperienze di laboratorio:

Effetto Hall e conducibilità in funzione della temperatura: studio del meccanismo di conduzione in solidi metallici; 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.

Celle a Idrogeno:  studio del funzionamento di una cella in modalità elettrolitica per la produzione di idrogeno e  in modalità combustibile (usando idrogeno) per la produzione di energia. 

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.

La partecipazione alle esperienze di llaboratorio è obbligatoria.

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. The program is available on the website:

http://www.dfs.unito.it/solid/Didattica/Struttura_Materia_Fisica/index-str-mat-fisica-13-14-UK.html

where, for each lecture, the teacher will report the topic of the lecture, the bibliographic references and numerical exercises.

The introductory lectures will be organized as follows:

  • 3 lectures (6 hours) on general topics of techniques and technologies in experimental matter physics (lock-in techniques, temperature measurement techniques, magnetic field measurement techniques);
  • 2 lectures (4 hours) for each of the laboratory experiences; each group must follow only the lectures relevant to the experience that will be performed in laboratory.

The participation to the introductory lectures is mandatory, or no access will be granted to the laboratory sessions.

Laboratory experiences:

Hall effect and conductivity vs temperature: study of the conduction mechanism in metallic solids; study of the concentration and mobility of charge carriers in semiconductors; study of the variation of charge carriers concentration vs temperature in semiconductors.

Hydrogen cells: study of the operation of a hydrogen cell, both in electrolytic mode for the production of hydrogen and in H-combustion mode for the production of energy.

Photoconductivity: determination of the forbidden gap in a semiconductor from optical absorption and transmissione measurements.

X-ray diffratction: study of Bragg diffraction conditions in a NaCl crystal, measurement of the interatomic distace in several crystals.

The participation to the laboratory experiences is mandatory.

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.

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.

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:

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 su tecniche sperimentali di fisica dello stato solido (6 ore) e lezioni frontali propedeutiche 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 i) registrazione mediante procedura CampusNet e ii) comunicazione al docente delle esperienze di laboratorio (P. Olivero) delle preferenze relative alla composizione dei gruppi di laboratorio ed ai turni di laboratorio.

 

Modalità d'esame

Il calendario degli appelli è riportato nel sito CampusNet  o 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.

 

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;
  • lectures on experimental techniques 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 i) registering on the CampusNet procedure and ii) communicating to the teacher of the laboratory experiences (P. Olivero) their preferences with regards to the composition of laboratory groups and laboratory turns.

 

Exams rules

The calendar of exams sessions is shown on the  CampusNet   website or on the Esse3 website.

Extraordinary sessions can be granted to students only if they are close to their thesis disseration, and if they don't have any courses left to follow and only one exam left to undertake.

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Ultimo aggiornamento: 23/07/2014 09:12