Obiettivi formativi
Conoscenze e comprensione: il corso intende fornire una introduzione all'uso della quantomeccanica per affrontare problemi di rilevanza per la scienza dei materiali.
Conoscenza e capacità di comprensione applicata: il corso fornisce gli strumenti per reinterpretare in modo formale le conoscenze di base acquisite (funzione d'onda, orbitali, legame chimico, spin, etc...) nei corsi precedenti.
Capacità di apprendere: oltre agli strumenti metodologici il corso fornisce agli studenti il linguaggio di base della quantomeccanica, 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.
Contenuti dell'insegnamento
Metodi di approssimazione
Simmetria in quanto-meccanica
Atomi e molecole alcuni concetti di base
Struttura atomica
Struttura molecolare
Introduzione ad alcuni più comuni strumenti di calcolo quantochimico
Introduzione alla spettroscopia molecolare
Esercitazioni computazionali (1 CFU, ossia 12 ore):
- introduzione e ripasso di alcuni concetti fondamentali della meccanica quantistica molecolare. Tra questi: Hamiltoniano molecolare, approssimazione adiabatica, approssimazione di Born-Oppenheimer, metodo di Hartree-Fock, basis sets, prodotto di Hartree, determinante di Slater, equazione di Fock, equazione di Roothan-Hall, cenni alla Density Functional Theory (DFT);
- introduzione ad ambiente Linux;
- esperienza computazionale 1: ottimizzazione di geometria e calcolo energia a livello Hartree-Fock per la molecola di acqua;
- esperienza computazionale 2: Calcolo a livello DFT della geometria ottimizzata del benzene; calcolo e visualizzazione della mappa di potenziale elettrostatico del benzene, calcolo e visualizzazione dei modi normali del benzene;
- esperienza computazionale 3: Calcolo della mappa di potenziale elettrostatico della piridina e della piridina protonata. Calcolo dell'energia di protonazione della piridina. Calcolo e confronto dello spettro vibrazionale della piridina e della piridina protonata;
- esperienza computazionale 4: Studio computazionale di un n-alcano: costruzione della geometria molecolare di input, ottimizzazione di geometria, calcolo di frequenze, calcolo della mappa di potenziale elettrostatico, visualizzazione degli orbitali molecolari di Hartree-Fock;
- Architettura di un supercomputer e visita guidata al cluster di Ateneo.
Laboratorio (3CFU):
-esperienza sulla sovrapposizione degli stati: quantum eraser
-esperienza sulla fisica della particella nella scatola: applicazione a nanocristalli semiconduttori
-esperienza sulla simmetria: IR e Raman di sali inorganici
-esperienza sulla spettroscopia: preparazione e caratterizzazione di un film polimerico luminescente
Programma esteso
Metodi di approssimazione
*teoria delle perturbazioni per stati stazionari
*metodo variazionale
Simmetria in quanto-meccanica
*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
*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
metodi di calcolo quantochimico: una introduzione al DFT
Spettroscopia molecolare: (a) spettrosocpia ottica e regole di selezione; (b) l''esperimento base NMR
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 con il corso di laboratorio, prevede 40 ore di lezioni frontale dove si introdurrano gli argomenti fondamentali. Ad esso si affianca un credito di esercitazioni per il calcolo quantomeccanico.
Modalità verifica apprendimento
L'esame, integrato con l'esame di Laboratorio di Chimica Fisica dei Materiali, viene condotto per verificare (a) l'acquisizione dei concetti di base della meccanica quantistica e della loro applicazione ai problemi di interesse per lo scienziato dei materiali; (b) la capacità dello studente di esporre i concetti in modo chiaro, usando adeguatamente il linguaggio tecnico-scientifico, (c) la capacità di affrontare problemi usando gli strumenti formali della meccanica quantistica; (d) per la parte di laboratorio la capacità di estrarre informazione dall'analisi di dati.
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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