Obiettivi formativi
Conoscenze e comprensione: il corso intende fornire gli strumenti di base ed avanzati della meccanica quantistica applicata a sistemi dipendenti dal tempo come base per la razionalizzazione e l'utilizzo delle tecniche spettroscopiche di interese in ambito chimico. Il corso inoltre fornisce una dettagliata descrizione di alcune fra le tecniche spettroscopiche di più comune impiego.
Conoscenze e comprensione applicate: il corso fornisce gli strumenti per reinterpretare in modo formale le conoscenze acquisite in ambito spettroscopico in corsi precedenti (spettroscopia vibrazionale, elettronica, NMR etc) e per pianificare esperimenti spettroscopici per l'acquisizione di informazioni molecolari dall'analisi di campioni macroscopici.
Capacità di appendere: oltre agli strumenti metodologici, il corso fornisce agli studenti il linguaggio di base ed avanzato della quantomeccanica chimica applicata a problemi dipendenti dal tempo e all'interazione radiazione-materia, mettendo lo studente in grado di leggere e comprendere testi di base ed avanzati e di affrontare con successo la letteratura scientifica.
Capacità di comunicare lo studente acquisisce il linguaggio tecnico-specialistico che permette allo studente di dialogare con specialisti chimici, fisici e scianziati dei materiali e di tradurre concetti anche complessi in un linguaggio comprensibile al non-specialista ma garantendo la correttezza delle informazioni convogliate.
Autonomia di giudizio: Elaborazione di collegamenti con concetti quanto-meccanici di base acquisiti nei corsi precedenti e rielaborazione in chiave formale delle conoscenze spettrosocpiche già acquisite in corsi di base e di laboratorio
Prerequisiti
Si richiede la conoscenza di base della meccanica quantistica e delle sue applicazioni in chimica.
Contenuti dell'insegnamento
Concetti di base: spettro elettromagnetico; assorbanza; le trasformate di Fourier
Radiazione elettromagnetica
Teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo (ordine lineare)
Teoria della risposta lineare
La matrice densità
Spettroscopia ottica (elettronica e vibrazionale)
Spettroscopia magnetica, NMR in soluzione
Programma esteso
Per cominciare rivediamo alcuni concetti di base
lo spettro elettromagnetico
la misura dei uno spettro di assorbimento: assorbanza
le trasformate di Fourier
Radiazione elettromagnetica
trattazione classica e quantistica
Hamiltoniano di interazione radiazione-materia
Teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo (ordine lineare)
discussione generale
applicazione all'assorbimento ed emissione di radiazione monocromatica
approssimazione di dipolo elettrico; assorbimento, emissione spontanea e stimolata
Teoria della risposta lineare
funzione risposta e suscettività: esperimenti steady-state e time-resolved
matrice densità: stati puri e stati misti; popolazioni e coerenze;sistemi all'equilibrio termodinamico
matrice densità: evoluzione temporale
Esperimenti steady-state: processi attivi e passivi, relazioni di Kramers-Krönig
costante dielettrica complessa: indice di rifrazione e coefficiente di estinzione (argomento avanzato)
formulazione microscopica delle funzioni risposta e suscettività (argomento avanzato)
matrici densità ridotte; rilassamento e forme di banda
Spettroscopia ottica
la separazione dei moti; regole di selezione
spettroscopia vibrazionale: coordinate normali, coordinate interne, frequenze di gruppo, spettroscopia FT-IR e cenni di spettroscopia Raman
spettroscopia elettronica: assorbimento, forme di banda e fattori di Frank-Condon, fluorescenza, regola di Kasha, eccitazione di fluorescenza, fosforescenza.
Cromofori organici, solvatocromia.
Spettroscopia ottica con luce polarizzata: il tensore polarizzabilità, misure in cristalli e in soluzione; misure in soluzione: spettri ORD e CD (argomento avanzato)
Spettroscopia magnetica
l'esperimento base NMR ed ESR
NMR in soluzione: chemical shift e J-coupling
FT-NMR: l'esperimento di base ed alcuni esperimenti più raffinati
sistemi a molti spin non-interagenti, matrici densità e operatori prodotto
sistemi di spin interagenti, matrici densità ed operatori prodotto (argomento avanzato)
cenni a 2D- NMR (argomento avanzato)
Bibliografia
G.C.Schatz, M.A.Ratner, Quantum Mechanics in Chemistry, Dover (2002) (capitoli selezionati)
J. McHale Molecular Spectroscopy (capitoli selezionati)
S. Fischer, P. Scherer, Theoretical Molecular Biophysics, Springer (2010) (capitoli selezionati)
M.H. Levitt, Spin Dynamics, Wiley (capitoli selezionati)
note di lezione rese disponibili agli studenti
Metodi didattici
Il corso si svolge in 40 ore di lezioni frontali, durante le quali gli studenti vengono guidati alla comprensione dei concetti di base ed applicative della spettroscopia ottica e magnetica. Un CFU (15 ore) è dedicato ad attività di laboratorio rivolte alla spettrosocpia di fluorescenza.
Modalità verifica apprendimento
L'esame orale viene condotto per verificare (a) l'acquisizione dei concetti di base e specialistici della meccanica quantistica di sistemi dipendenti dal tempo (b) la comprensione formale e applicata di tecniche spettroscopiche di interesse chimico; (c) la capacità dello studente di esporre concetti anche complessi in modo chiaro, usando adeguatamente il linguaggio tecnico-scientifico, (d) la capacità di progettare esperimenti spettroscopici per acquisire informazioni specifiche su campioni macrosocopici di varia natura, (e) la capacità di utilizzare le conoscenze acquisite per risolvere in modo propositivo problemi nuovi come richiesto per un proficuo inserimento nel mondo del lavoro o per affrontare in modo autonomo e competetente lo studio richiesto per il terzo ciclo di istruzione superiore.
Il superamento dei punti (a) e (b) definisce il requisito minimo per il superamento dell’esame (soglia). Cinque punti sono assegnati al punto (c), quattro punti al punto (d) e 3 al punto (e). La lode richiede la padronanza degli aromoenti avanzati (vedi programma del corso).
Lo studente riprovato non può presentarsi prima di due settimane e comunque non più di due volte per appello. Nei rari casi in cui lo studente sia riprovato più di quattro volte esso potrà presentarsi solo una volta per ogni appello.
Altre informazioni
Il materiale didattico è disponibile in rete.
Il docente riceve gli studenti per chiarimenti e discussioni, previo appuntamento
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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