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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 051199 - STRUTTURA DELLA MATERIA: PRINCIPI E APPLICAZIONI
Docente Duo' Lamberto
Cfu 10.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

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*AZZZZ051199 - STRUTTURA DELLA MATERIA: PRINCIPI E APPLICAZIONI

Obiettivi dell'insegnamento
i) Fornire gli elementi base per la comprensione della struttura della materia condensata;
ii) Analizzare i principi fisici fondamentali e le principali tecniche di indagine adottate nelle applicazioni per lo studio dei materiali;
iii) Affrontare lo studio dei fenomeni di trasporto nei metalli, dei metodi approssimati utilizzati in meccanica quantistica, delle proprietà magnetiche della materia, del trasporto di particelle cariche e delle spettroscopie elettroniche;
iv) Mettere in grado lo studente di avere un quadro di riferimento sia teorico che applicativo sullo studio della struttura della materia.

Risultati di apprendimento attesi
- Conoscere e comprendere i modelli classici e quantistici del trasporto nei metalli e del comportamento magnetico della materia, i metodi approssimati in meccanica quantistica e i fondamenti dell'interazione radiazione-materia (DD1);
- Applicare i concetti a casi concreti di interesse della struttura della materia (DD2);
- Analizzare le proprietà atomiche calcolandone le grandezze caratteristiche (DD3);
- Valutare il grado di approssimazione e gli elementi rilevanti nell'analisi di un fenomeno atomico per rielaborare le informazioni acquisite nella soluzione di problemi fisici (DD5).
 

Argomenti trattati

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. Statistiche classiche e quantistiche. Funzione di Fermi e distribuzione di Fermi-Dirac. 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). Emissione di elettroni per effetto termoionico. Equazione di Richardson-Dushman. 

 

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).

 

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-paramagnete. 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. 

 

Trasporto di particelle cariche

Deflessione elettrica e magnetica. Legge di Snell dell'elettrostatica. Teorema di Liouville e legge di Helmholtz-Lagrange. Approssimazione parassiale. Emittanza e brillanza. Lenti elettrostatiche. Parametri caratteristici delle lenti spesse. Lenti cilindriche. Introduzione alle aberrazioni: aberrazioni geometriche; filling factor e controllo dell'angolo del fascio; aberrazioni cromatiche; cenni agli effetti di carica spaziale. Esempio di progettazione di una lente. Cenni alla spettrometria di elettroni. 

 

Introduzione alle spettroscopie elettroniche

Introduzione all'interazione radiazione-materia. Interazione fotoni-materia, fotoionizzazione. Legge di Lambert-Beer, coefficiente di assorbimento di massa e relazione di Pierce-Bragg. Sezione d'urto. Interazione elettroni-materia. Lunghezza di penetrazione, fenomeni elastici e anelastici. Backscattering di elettroni. Radiazione di frenamento (bremsstrahlung), equazione di Kramer. Cammino libero medio anelastico, legge di Lambert per gli elettroni e curva “quasi universale”. Elettroni secondari. Dinamica della eccitazione di un atomo con fotoni o elettroni. Diseccitazione di una lacuna di core: decadimenti fluorescente e Auger. Propagazione di elettroni in un gas e libero cammino medio. Contaminazione superficiale. Vuoto e ultra altro vuoto (cenni). Emissioni conseguenti ad eccitazioni e diseccitazioni di un materiale. Spettroscopia di fotoemissione. Teorema di Koopmans. Analisi dei livelli di core. Effetti chimici nell’XPS. Effetti di caricamento. Perdite anelastiche in fotoemissione. Tempi di vita nelle componenti di spin-orbita. Dipendenza angolare nell’XPS. Effetti plasmonici nell’XPS. Analisi dell’intensità nell’XPS. Spettroscopia Auger. 


Prerequisiti

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


Modalità di valutazione
L'esame consiste di una prova scritta selettiva seguita, in caso di suo esito positivo, da una prova orale.
La prova scritta consiste nella soluzione di problemi articolati, a carattere sia teorico che numerico, da svolgere mediante l'ausilio del materiale didattico (modalità open book). 
Essi sono volti ad accertare:
- la capacità di impostare la descrizione di un problema utilizzando un adeguato formalismo e la competenza nell'impiego del lessico specialistico;
- la capacità di ragionamento critico di fronte al problema fisico e la capacità di organizzarne la soluzione in modo lineare ed efficace;
- la capacità di valutare le conseguenze di un risultato e di trarne delle valutazioni tramite il confronto tra modelli diversi o tra teoria ed esperimento.
La prova orale inizia dalla discussione della prova scritta e mira all'accertamento delle capacità di sintesi e di collegamento dei vari aspetti trattati e di saper evidenziare e correggere eventuali errori presenti nella prova scritta.  

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
Risorsa bibliografica facoltativaFranco Ciccacci, Fondamenti di Fisica Atomica e Quantistica, Editore: EdiSES, Anno edizione: 2017, ISBN: 978-88-7959-978-8

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
65:00
97:30
Esercitazione
35:00
52:30
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 100:00 150:00

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. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
21/01/2020