Obiettivi formativi
Conoscere e comprendere 1) i fenomeni che hanno portato alla crisi dell'elettromagnetismo classico, 2) i formalismi più semplici della meccanica quantistica, 3) la loro applicazione a sistemi significativi per l'ingegneria elettronica e delle telecomunicazioni, 4) il comportamento degli elettroni nei solidi e 5) le applicazioni tecnologiche che ne derivano.
Sapere collegare i diversi argomenti trattati non solo tra loro, ma anche con le discipline di base ed affini.
Sapere 1) applicare la conoscenza e la comprensione dei punti sopra illustrati per sistemi semplici, ma fondamentali, allo studio di dispositivi elettronici, 2) estendere tali competenze a sistemi più complessi che si presenteranno al futuro ingegnere come base di nuovi sviluppi tecnologici e 3) utilizzare in modo appropriato i risultati di tecniche sperimentali di caratterizzazione dei materiali.
Sapersi aggiornare mediante la consultazione delle pubblicazioni scientifiche proprie del settore.
Prerequisiti
Conoscenze di fisica e matematica acquisite nelle scuole medie e approfondite 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 18 ore), con riferimento ai seguenti argomenti.
Scarica nei gas, effetto Compton, effetto fotoelettrico, spettri atomici, corpo nero, quanti di energia, dualismo onda particella; esperimento di Stern-Gerlach; tecniche di diffrazione (di raggi X, elettroni e neutroni), microscopio elettronico, spettrometria di massa per la determinazione della struttura e della composizione dei materiali.
B – Applicazioni della Meccanica Quantistica a sistemi semplici (circa 30 ore), con riferimento ai seguenti argomenti.
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, ai pozzi quantici 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; dinamica degli elettroni, massa efficace; 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 – Corso di Fisica Moderna, 2022 (file.pdf messi a disposizione degli studenti durante lo svolgimento del corso).
Metodi didattici
Lezioni frontali integrate da un numero limitato (2-3 ore) di esercitazioni svolte dal docente per chiarire alcuni aspetti matematici.
Nel caso fosse necessario, le lezioni verranno erogate in modalità a distanza, come già fatto nell'AA 2019-20 e il materiale relativo reso
accessibile agli studenti sulla piattaforma Elly.
Disponibilità del docente a spiegazioni integrative su appuntamento a richiesta dello studente tramite e-mail.
Modalità verifica apprendimento
L’esame è orale. Lo studente deve presentare in maniera completa, ma sintetica, l’argomento del programma oggetto delle domande proposte dal docente. 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 dal docente allo studente due argomenti, ciascuno riguardante una delle due parti del programma (punti A e B del programma esteso), vedi sotto.
Altre informazioni
La presentazione (in Power Point) delle lezioni sarà messa a disposizione dal docente. I file.pdf relativi verranno messi su Elly prima di ciascuna lezione in modo che lo studente possa scaricarli e stamparli.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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