Obiettivi formativi
Conoscenza e comprensione 1) dei fenomeni che hanno portato alla crisi dell'elettromagnetismo classico, 2) dei formalismi più semplici della meccanica quantistica, 3) della loro applicazione a sistemi significativi per l'ingegneria elettronica e delle telecomunicazioni, 4) del comportamento degli elettroni nei solidi e 5) delle applicazioni tecnologiche che ne derivano.
Capacità di applicare la conoscenza e la comprensione dei punti sopra illustrati per sistemi semplici, ma fondamentali, 1) allo studio di dispositivi elettronici, 2) di estenderle a sistemi più complessi che si presenteranno al futuro ingegnere come base di nuovi sviluppi tecnologici e 3) a utilizzare in modo appropriato i risultati di tecniche sperimentali di caratterizzazione dei materiali.
Prerequisiti
Conoscenze di fisica e matematica acquisite nei corsi di laurea, ad esempio, delle classi dell'ingegneria.
Contenuti dell'insegnamento
Dopo cenni alle esperienze più significative che hanno portato allo sviluppo della fisica moderna con la formulazione della Fisica Quantistica, il corso propone l’applicazione dei concetti della Meccanica Quantistica e Statistica a sistemi semplici, ma fondamentali per la comprensione dei meccanismi microscopici che 1) determinano le proprietà dei materiali e 2) sono alla base delle tecniche sperimentali di indagine di specifico interesse per l’ingegneria elettronica e delle telecomunicazioni.
Programma esteso
A – Esperienze e concetti che hanno portato alla crisi della Fisica Classica (circa 16 ore)
Scarica nei gas, effetto Compton, effetto fotoelettrico, spettri atomici, corpo nero, quanti di energia, dualismo onda particella; tecniche di diffrazione (di raggi X, elettroni e neutroni) e microscopio elettronico per la determinazione della struttura dei materiali.
B – Applicazioni della Meccanica Quantistica a sistemi semplici (circa 26 ore)
Premesse: principi di indeterminazione, corrispondenza e complementarità, equazione della corda vibrante, modi quantizzati, autofunzioni e autovalori, funzioni ortonormali, operatori.
Postulati della meccanica quantistica.
Particella libera e particella libera nella scatola: equazione di Schrödinger, livelli energetici, densità di probabilità, applicazione agli elettroni di conduzione nei metalli, alle buche quantiche e ai centri di colore.
Oscillatore armonico: equazione di Schrödinger, livelli energetici; applicazione agli spettri vibrazionali delle molecole eteronucleari. Cenni alle vibrazioni reticolari nei solidi (fononi) e all’anarmonicità dei sistemi reali.
Atomo di idrogeno ed atomi idrogenoidi: equazione di Schrödinger, livelli energetici. Rotatore rigido, come caso particolare: applicazione agli spettri rotazionali delle molecole eteronucleari.
Barriera di potenziale: effetto tunnel, giunzioni a effetto tunnel, microscopio a effetto tunnel.
Bande di energia nei solidi cristallini: modello di Kronig e Penney, classificazione dei solidi, isolanti, metalli e semiconduttori; statistica di Fermi Dirac; conducibilità elettrica. Cenni ai cristalli fotonici e alle proprietà ottiche di semiconduttori e isolanti.
Bibliografia
R. Eisberg, R. Resnick – Quantum Physics and Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles. Ed. John Wiley & Sons (New York), 1985.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker – Fondamenti di Fisica: Fisica Moderna, V edizione, Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 2002
R. Capelletti – Fotocopie delle diapositive del corso di Fisica Atomica, 2016.
Metodi didattici
Lezioni frontali integrate da un numero limitato (2-3 ore) di esercitazioni svolte dal docente per chiarire alcuni aspetti matematici.
Modalità verifica apprendimento
L’esame è orale.
Lo studente deve presentare in maniera completa, ma sintetica, l’argomento del programma oggetto delle domande. La presentazione deve dimostrare che lo studente ha assimilato i concetti alla base della(e) domanda(e) e li sa riproporre con chiarezza e correttezza come propri. Una esposizione puramente mnemonica e acritica non è accettata. Di norma vengono proposti allo studente due argomenti, ciascuno riguardante una delle due parti del programma (punti A e B del programma esteso).
Altre informazioni
La presentazione (in Power Point) delle lezioni dell'intero corso sarà messa a disposizione dal docente all'inizio del corso, su richiesta dello studente.
