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, 5) del ruolo giocato dai difetti e dalle vibrazioni reticolari sulle proprietà ottiche ed elettriche dei solidi e 6) 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
Corsi di analisi matematica e fisica classica
Contenuti dell'insegnamento
Dopo cenni alle esperienze più significative che hanno portato alla Fisica Moderna e alla 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 alla base della crisi della Fisica Classica. Scarica nei gas, ioni e spettrometro di massa, effetto Compton, effetto fotoelettrico, spettri atomici, raggi X, corpo nero, quanti di energia, dualismo onda particella; 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. Principi di indeterminazione, corrispondenza e complementarità, equazione della corda vibrante, modi quantizzati, autofunzioni e autovalori, funzioni ortonormali, operatori. Postulati della meccanica quantistica. Particella libera nella scatola: equazione di Schrödinger, livelli energetici, densità di probabilità, applicazione a metalli, pozzi quantici e centri di colore. Oscillatore armonico: equazione di Schrödinger, livelli energetici; spettri vibrazionali delle molecole. Cenni all’anarmonicità. Atomo di idrogeno e idrogenoidi: equazione di Schrödinger, livelli energetici; rotatore rigido e spettri rotazionali delle molecole. Barriera di potenziale: giunzioni e microscopio a effetto tunnel.
C–Cenni di Fisica dello Stato Solido. Stati di aggregazione della materia. Strutture periodiche: reticoli diretto e reciproco. Vibrazioni reticolari: catena lineare monoatomica e biatomica; branca ottica e acustica. Fononi: scattering anelastico. Bande di energia nei solidi cristallini: modello di Kronig e Penney, classificazione dei solidi e microscopio a forza atomica; statistica di Fermi Dirac. Curve di dispersione anche nel caso tridimensionale, proprietà ottiche di semiconduttori e isolanti (gap diretto e indiretto) e cristalli fotonici. Dinamica di elettroni e lacune, massa efficace. Difetti puntiformi, di linea e di superficie; equilibrio termodinamico. Conducibilità elettrica: superfici isoenergetiche, ruolo di vibrazioni reticolari e difetti.
Bibliografia
Eisberg R., Resnick R. Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids and Nuclei, John Wiley ed. (New York), 1985.
Kittel C., Introduction to Solid State Physics, VI edition, John Wiley ed. (New York), 1986.
Capelletti R., Fisica Generale III, Appunti del corso, Santa Croce ed. (Parma), 1997
Capelletti R., Fisica Moderna, Appunti del corso, 2012 (file di Power Point), disponibile agli studenti all'inizio del corso.
Metodi didattici
Lezioni frontali integrate da un numero limitato (4-5 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 tre argomenti, ciascuno riguardante una delle tre parti del programma (punti A, B, C del programma esteso).
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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