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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 2016/2017

Codice dell'attività didattica
MFN1319
Docenti
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Prof. Paolo Olivero (Titolare del corso)
Prof. Stefano Giovanni Spataro (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
Propedeutico a
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 providing 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.

Oggetto:

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.

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).

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.

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).

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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"

Esercitazioni:

  1.  Calendario da definire

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

Calendar:

  1.  to be defined
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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.  


 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.

 

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. The detailed program  for the academic year 2016/2017 will be available during the teaching.


  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.
  • Electrical measurements in temperaturestudy of the conduction mechanism in metallic and semiconducting materials, both at room temperature and at variable temperature.
  • 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.

 

 

 

 

 

Data Referenze Argomenti

Lesson I

30/01/2017

09-11, Blue Room

  • [1]-[8]

Lesson II

31/01/2017

09-11, Blue Room

  • 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

01/02/2017

09-11, Blue Room

  •   [1] Example 2.3, 2.4, 1.3,1.4
  • [1] 11.8, 11.9, 13.6
  • [4] Sez. 4-5
  • Entropy and heat
  • Entropy and the second Law of thermodynamics
  • Photon gas and the black body radiation
  • The Stephan-Boltzmann law
  • The Wienn Law
Lesson IV 

02/02/2017

09-11, Blue Room

  • [1] 13.6, 10.6
  • [1] Example 13.5, 13.6
  • [4] Sez. 4-5
  • slides 
  • Spontaneous and stimulated radiative transitions
  • Introduction to the maser/laser 
  • Density of states in a cubic box
  • Boltzmann-Maxwell statistics: Average energy per particle.

Lesson V

06/02/2017

h. 09-11, Blue Room;

  •   [1] 10.4
  • [1] Example  6.2
  • Notes
  • Lattice dynamics: 1-dimensional mono-atomic chain
  • Equipartition energy theorem

Lesson VI

07/02/2017

h. 11-13, Blue Room;

  •   [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

08/02/2017

h. 11-13, Blue Room;

  •  Electron gas in metals
  • Total energy of electrons at low temperature
  • Application of Fermi-Dirac Statistics to Electrons in metals

Lesson VIII

09/02/2017

h. 09-11, Blue Room

  • Types of solids
  • Crystal structure
  • x-ray diffraction

Lesson IX

10/02/2017

h. 11-13, Blue Room 

  • Bloch’s theorem
  • The Kronig-Penney model
  • Seminar of Federico Bosia on "BioInspired Materials"

Lesson X

13/02/2017

h. 09-11, Blue Room 

  •  The Kronig-Penney model

Lesson XI

14/02/2017

h. 11-13, Blue Room ;

 
  • [1] 6.6
 
  • Electron energy bands in solids: conductors, semiconductors, insulators

Lesson XII

16/02/2017

h. 09-11, Blue Room ;

 
  • [1] 6.7;
 
  • Band Theory; insulator, semiconductors, conductors
  • The effective mass concept,

Lesson XIII

17/02/2017

h. 09-11, Blue Room ;

  • [1] 6.7;
  •  The Debye model of charge transport in solids; the Ohm law
  • Exercises

Lesson XIV

20/02/2017

h. 11-13, Blue Room ;

  • [ 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 XV

21/02/2017

h. 11-13, Blue Room 

 
  • [1] 3.4
  • [9] lessons 36-39
  • [1] 3.5, 3.6
  • Example 3.4, 3.5.
 
  • The quantization of the angular momentum.
  • Grotrian diagrams
  • The Zeeman effect
  • The electronic wave function in presence of a central field

Lesson XVI

22/02/2017

h. 09-11, Blue Room 

  • [1] 3.5, 3.7, 3.8, 3.9; Example 3.7
  • Slides
  • the Stern-Gerlach experiment. The electron Spin
  • Addition of Angular momenta
  • Spin-orbit interaction
  • Exercises on the hydrogen atom

Lesson XVII

23/02/2017

h. 11-13, Blue Room 

  •   The He   atom.
  • Coulomb and Exchange integrals; paraheliumorthohelium
  • Self consistent field

Lesson XVIII

27/02/2017

h. 11-13, Blue Room 

  •    [1] 4.3,4.4,4.5;
  •   The electronic structure of atoms. The spectroscopic notation.

Lesson XIX

28/02/2017

h. 11-13, Blue Room 

  •  
  • The Slater determinant. The Hund rules.
  • The Mendeleyev table

Lesson XX

02/03/2017

h. 11-13, Blue Room 

  • [1] 4.5,4.6;
  •  Li, Be, B atoms. The 2nd and 3rd period.

Lesson XXI

03/03/2017

h. 11-13, Blue Room 

Lesson XXII

06/03/2017

h. 11-13, Blue Room

  •   [1] 5.1, 5.2
  •  The H2+ molecule; the LCAO method.
  • Exercises

Lesson XXIII

07/03/2017

h. 11-13, Blue Room

  •   [1] 5.2,

Lesson XXIV

08/03/2017

h. 11-13, Blue Room

  •  The sigma bonding and anti-bonding orbitals.
  • Exercises

Lesson XXV

09/03/2017

h. 09-11, Blue Room

 
  •  Electronic configuration of mononuclear diatomic molecules
  • Exercises

Lesson XXVI

10/03/2017

h. 09-11, Blue Room

 
  •  Exercises
Optional topics are in Italics

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. HallydayR.Resnik, K.S. KraneFisica 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

[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.

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

  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/

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.

Exams rules

The calendar of exams sessions is shown 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.

Oggetto:
Ultimo aggiornamento: 13/04/2017 08:55
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