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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 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

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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 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.

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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.

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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:

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:

 

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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
 

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; paraheliumorthohelium
  • The exclusion principle
  • The Slater determinant

Lesson VII

07/02/2020

h. 09-11, Aula Magna 

  • 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 

 
  • 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;

  • Types of solids
  • Crystal structure

Lesson XV

20/02/2020

h. 11-13, Aula Magna

  • x-ray diffraction

Lesson XVI

Video Lecture

  • Lattice dynamics: 1-dimensional mono-atomic chain
  • Phonons

Lesson XVII

Video Lecture

  • 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

  • The photon gas
  • The Black-body radiation
  • Spontaneous and stimulated radiative transitions
  • Introduction to the maser/laser

Lesson XX

Video Lecture

  • 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

  • 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. 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

[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

 

 



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.
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=195

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.
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Ultimo aggiornamento: 28/04/2020 11:20
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