Obiettivi formativi
Conoscenze e comprensione: il corso intende fornire gli strumenti di base della meccanica quantistica e delle sue applicazioni in ambito chimico.
Conoscenza e capacità di comprensione applicata: il corso fornisce gli strumenti per reinterpretare in modo formale le conoscenze chimiche di base acquisite (funzione d'onda, orbitali, legame chimico, spin, etc...) nei corsi precedenti per rinforzare un quadro coerente e solido di conoscenze di base in ambito chimico.
Capacità di apprendere: oltre agli strumenti metodologici il corso fornisce agli studenti il linguaggio di base della quantomeccanica chimica, mettendo lo studente in grado di leggere e comprendere testi avanzati.
Capacità di comunicare: Acquisizione del linguaggio tecnico-specialistico che permette allo studente di dialogare con specialisti in ambito chimico e fisico e di tradurre concetti anche complessi in un linguaggio comprensibile al non-specialista.
Prerequisiti
Si richiede una buona padronanza degli strumenti matematici e una buona conoscenza dei concetti di fisica di base.
Sono previste dal regolamento didattico le seguenti propedeuticità obbligatorie:
- Matematica 1
- Fisica 1
- Matematica 2
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si compone di due moduli, un modulo teorico che, dopo un'introduzione alla quanto meccanica, guida lo studente verso i principali concetti richiesti per la comprensione della struttura molecolare. Il corso di laboratorio prevede una serie di esperienze di laboratorio e di calcolo, su contenuti collegati.
Programma esteso
Introduzione alla meccanica quantistica (esperienza di laboratorio collegata: “quantum eraser”):
*l'esperimento della doppia fenditura, la polarizzazione dei fotoni e il concetto di sovrapposizione
*stati ed operatori in quanto-meccanica, vettori e matrici
*osservabili, autostati e il concetto di misura
*commutabilità e compatibilità
*rappresentazione di Schrödinger
*equazione di Schrödinger
Alcune soluzioni esatte dell'equazione di Schrödinger (esperienza di laboratorio collegata: “spettro vibro-rotazionale di HCl”):
*la particella libera
*la particella nella scatola
*l'oscillatore armonico
*il rotatore rigido, digressione su momenti angolari e spin
*atomo idrogenoide
Metodi di approssimazione
*teoria delle perturbazioni per stati stazionari
*metodo variazionale
Simmetria in quanto-meccanica (esperienza di laboratorio collegata: “spettri IR e Raman di 3 sali con anioni aventi diversa simemtria”):
*simmetria e teoria dei gruppi
*simmetria e quantomeccanica
*simmetrie puntuali e continue
*simmetrie di scambio: bosoni e fermioni
Atomi e molecole alcuni concetti di base:
*l'approssimazione adiabatica (o di Born-Oppenheimer)
*approssimazione di campo medio e orbitali atomici/molecolari
Struttura atomica:
*configurazioni ed aufbau
*accoppiamento dei momenti angolari
*accoppiamento spin-orbita
Struttura molecolare (esperienza collegata: “risoluzione della struttura π di un idrocarburo coniugato”):
*il legame chimico: la molecola di idrogeno
*le molecole biatomiche omonucleari
*le molecole poliatomiche eteronucleari
*orbitali ibridi
*i complessi dei metalli di transizione
*metodi per il calcolo della struttura elettronica molecolare, cenni
*il metodo di Huckel
*vibrazioni nelle molecole poliatomiche
Bibliografia
Come manuale si consiglia
P.W. Atkins and R.S. Friedman, Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press, 2011 - quinta edizione
Per alcuni argomenti il manuale verrà integrato da dispense.
Metodi didattici
Il corso integrato prevede 80 ore di lezioni frontali ed esercitazioni (56 per il corso modulo e 24 per il modulo di laboratorio) dove si introdurranno gli argomenti fondamentali; 36 ore di esercitazioni (divise tra modulo teorico e modulo di laboratorio), utili ad applicare le conoscenze acquisite a specifici problemi, così da confermare e consolidare le competenze; 30 ore di laboratorio, in cui si affronteranno esperienze che permettono di applicare i concetti introdotti durante il corso.
Modalità verifica apprendimento
L'esame è integrato: “Chimica Fisica II e Laboratorio”. Durante l’esame si verifica: (a) l'acquisizione dei concetti di base della meccanica quantistica e della loro applicazione ai problemi di interesse chimico; (b) la capacità dello studente di esporre i concetti in modo chiaro, usando adeguatamente il linguaggio tecnico-scientifico; (c) la capacità di affrontare problemi chimici usando gli strumenti formali della meccanica quantistica; (d) per la parte di laboratorio, la capacità di estrarre informazione dall'analisi di dati.
L'esame prevede: 1) una pre-selezione sulla base di una semplice prova scritta atta a valutare se lo studente conosce i concetti di base (quattro domande di base, da svolgere in un’ora); 2) una prova orale per gli studenti ammessi. La prova orale è costituita da una prima domanda relativa ad un'esperienza di laboratorio, e due ulteriori domande su argomenti del corso teorico. Per superare l'esame lo studente deve dimostrare una padronanza minima della materia in termini sia di contenuti che di abilità espressive.
Le date di esame riportate su Esse3 si riferiscono alla prova scritta; la prova orale viene svolta a seguire.
Altre informazioni
Il materiale didattico è disponibile in rete (portale Elly), suddiviso tra i due moduli.
I docenti ricevono per chiarimenti e discussioni, previo appuntamento.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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