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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2015/2016
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 085917 - STRUTTURA DELLA MATERIA: PRINCIPI E APPLICAZIONI [C.I.]
Docente Ciccacci Franco
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Corso Integrato

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (366) INGEGNERIA FISICA*AZZZZ085917 - STRUTTURA DELLA MATERIA: PRINCIPI E APPLICAZIONI [C.I.]

Programma dettagliato e risultati di apprendimento attesi

Obiettivi

 

 Il corso vuole fornire gli elementi base per la comprensione della struttura della materia condensata tramite l’analisi sia dei principi fisici fondamentali sia delle principali tecniche di indagine adottate nelle applicazioni per lo studio dei materiali.

Nella parte sui “Principi” vengono affrontati i fenomeni di trasporto nei metalli, i metodi approssimati utilizzati in meccanica quantistica e l’interazione radiazione-materia.

Nella parte sulle “Applicazioni” si analizzano le proprietà magnetiche della materia, il trasporto e analisi energetica di particelle cariche e le spettroscopie elettroniche.

In questo modo lo studente sarà messo in grado di avere un primo quadro di riferimento sia teorico che applicativo sullo studio della struttura della materia.

 

 Programma delle lezioni e delle esercitazioni

 

 “Principi”

 

 1) Fenomeni di trasporto nei metalli

 

 Legge di Ohm ed effetto Tolman. Modello di Drude della conduzione elettrica. Microscopia dell'effetto Joule e statistica di Poisson. Effetto Hall. Conducibilità in presenza di un campo elettrico non stazionario. Frequenza di plasma. Plasmoni. Conducibilità termica. Legge di Fourier. Numero di Lorenz. Legge di Wiedemann-Franz. Modello di Sommerfeld della conduzione elettrica. Proprietà dello stato fondamentale del gas di Fermi. Funzione di Fermi e distribuzione di Fermi-Dirac (richiami). Densità degli stati. Energia interna del gas di Fermi. Potenziale chimico ed energia di Fermi. Proprietà termiche del gas di Fermi. Calore specifico. Determinazione quantistica della conducibilità. Dipendenza dalla temperatura della conducibilità: fononi, impurezze. Comportamento termico della conducibilità per semiconduttori e superconduttori (cenni).

 

 2) Metodi approssimati in meccanica quantistica

 

 Introduzione alla teoria delle perturbazioni non dipendenti dal tempo. Determinazione delle correzioni dell'energia e della funzione d'onda. Applicazioni della teoria delle perturbazioni per stati non degeneri. Teoria perturbativa per stati degeneri. Applicazioni delle teoria perturbativa per stati degeneri. Correzione relativistica. Interazione di spin-orbita. Struttura fine dell'atomo di idrogeno. Effetto Zeeman. Separazioni Zeeman. Regole di selezione. Spettri Zeeman “normale” e “anomalo”. Regole di selezione e spettri relativi. Effetto Paschen-Back: regole di selezione e spettri relativi. Principio variazionale. Applicazioni del principio variazionale. Calcolo dello stato fondamentale dell'atomo di elio (integrale di Coulomb e integrale di scambio).

 

 3) Proprietà magnetiche della materia

 

 Introduzione al comportamento magnetico della materia e metodi di misura. Sostanze diamagnetiche, paramagnetiche, ferromagnetiche, ferrimagnetiche e antiferromagnetiche. Campi B, H e M nella materia (richiamo). Trattazione classica del diamagnetismo: precessione di Larmor e suscettività magnetica. Trattazione classica del paramagnetismo: funzione di Langevin, suscettività, legge di Curie. Teorema di Bohr-van Leeuwen. Trattazione quantistica del diamagnetismo: hamiltoniana di perturbazione. Applicazioni del diamagnetismo. Trattazione quantistica del paramagnetismo: funzione di Brillouin. Applicazioni del paramagnetismo. Atomi. Raggruppamenti di atomi: molecole, solidi. Campo magnetocristallino (cenni).Screening (cenni). Soppressione del momento angolare orbitale. Paramagnetismo di Pauli. Fenomenologia del ferromagnetismo. Isteresi, legge di Curie-Weiss, temperatura di Curie, temperatura di transizione ferromagnete-paramegnete. Trattazione classica del ferromagnetismo. Magnetizzazione spontanea. Anisotropia magnetica. Domini di Weiss e pareti. Campo molecolare (di Weiss). Cicli di Isteresi. Trattazione quantistica del ferromagnetismo. Origine fisica del campo di Weiss. Modello e hamiltoniana di Heisenberg. Interazione di scambio e campo molecolare. Antiferromagnetismo (cenni): temperatura di Néel, suscettività, domini. Metodi di misura di proprietà magnetiche

 

 “Applicazioni”

 

 1) Interazione radiazione-materia

 

 Interazione fotoni-materia. Fotoionizzazione. Legge di Lambert-Beer. Coefficiente di assorbimento di massa e sezione d’urto. Interazione elettroni-materia. Fenomeni elastici e anelastici. Backscattering di elettroni. Lunghezza di penetrazione. Radiazione di frenamento (bremmstrahlung). Cammino libero medio anelastico e curva “universale”. Elettroni secondari. Dinamica della diseccitazione di una lacuna di core. Decadimento fluorescente e Auger. Propagazione di elettroni in un gas e libero cammino medio. Interazione gas-superficie. Adsorbimento (fisisorbimento e chemisorbimento). Desorbimento e ultra-alto-vuoto.

 

 2) Trasporto e analisi di particelle cariche

 

 Deflessione elettrica e magnetica. Legge di Snell dell’elettrostatica. Teorema di Liouville. Legge di Helmholtz-Lagrange. Approssimazione parassiale. Emittanza e brillanza. Vignettatura. Lenti elettrostatiche. Parametri caratteristici delle lenti spesse. Lenti cilindriche. Formulazione matriciale. Introduzione alle aberrazioni. Aberrazioni geometriche. Filling factor e controllo dell’angolo del fascio. Aberrazioni cromatiche. Effetti di carica spaziale. Esempio di progettazione di una lente. Emissione di elettroni con effetto termoionico. Equazione di Richardson-Dushman. Ray tracing di lenti elettrostatiche. Introduzione agli analizzatori di energia. Analizzatori a deflessione elettrostatica. Risoluzione di un analizzatore. Pre-ritardo. Analizzatore emisferico. Rivelatori a tempo di volo. Uso di un analizzatore emisferico.

 

 3) Introduzione alle spettroscopie elettroniche

 

 Spettroscopia di fotoemissione. Scala dell’energia cinetica e dell’energia di legame. Approssimazione di orbitali congelati (teorema di Koopmans). Sorgenti di radiazione X e UV. Posizione del livello di Fermi e sua larghezza. Funzione lavoro dell’analizzatore. Fotoemissione dai livelli profondi. Spin-orbita e branching ratio. Shift chimico: ossidazione e riduzione. Effetti di caricamento. Effetto Doniach-Sunjic. Sensibilità superficiale:dipendenza angolare e dall’energia di fotone. Rivelatori di elettroni e fotoni. Luce di sincrotrone. Shift superficiale dei livelli di core. Analisi quantitativa. Esempi applicativi. Sezione d’urto di fotoionizzazione. Segnale e fondo. Spettroscopia Auger. Notazione Auger. Spettroscopia di assorbimento di raggi-X. Geometrie di trasmissione e riflessione. Spettroscopia di fluorescenza di raggi-X.

 

 Attività di laboratorio

 

 Si prevedono attività di laboratorio che consistono in simulazioni al calcolatore eseguite con codici di calcolo specializzati freeware.

 

 Prerequisiti

 

 Il corso presuppone la conoscenza della fisica generale (meccanica classica, elettromagnetismo), di elementi di meccanica quantistica e fisica atomica.


Note Sulla Modalità di valutazione

L'esame consiste di una prova scritta seguita, in caso di esito positivo, da una prova orale.


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaDavid W. Griffiths, Introduzione alla Meccanica Quantistica, Editore: Casa Editrice Ambrosiana, Anno edizione: 2005, ISBN: 88-408-1324-1
Risorsa bibliografica obbligatoriaAltro materiale disponibile sul sito del Corso

Mix Forme Didattiche
Tipo Forma Didattica Ore didattiche
lezione
65.0
esercitazione
35.0
laboratorio informatico
0.0
laboratorio sperimentale
8.0
progetto
0.0
laboratorio di progetto
0.0

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.5 / 1.6.5
Area Servizi ICT
23/04/2021