PRESENTAZIONE

L’insegnamento di Chimica Fisica 3 completa la formazione chimico‑fisica del Corso di Laurea in Chimica e Tecnologie Chimiche introducendo i fondamenti della meccanica quantistica e le loro applicazioni in ambito chimico. Il corso fornisce gli strumenti concettuali e formali per descrivere la struttura atomica e molecolare, le proprietà elettroniche della materia e i principali fenomeni spettroscopici, integrando le conoscenze acquisite negli insegnamenti di base.

Se la fisica quantistica non vi confonde, allora non l'avete capita.
Niels Bohr 

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento, in relazione all'acquisizione delle conoscenze relative all'ambito chimico-fisico, intende fornire gli strumenti base della meccanica quantistica e delle sue applicazioni in ambito chimico (per esempio nella spettroscopia molecolare). Saranno forniti gli strumenti metodologici e il linguaggio di base della chimica quantistica, che metteranno lo studente in grado di comprendere e reinterpretare, in modo formale, le conoscenze chimiche di base (legame chimico, funzione d'onda, interazione radiazione/materia, ecc...). Inoltre l'insegnamento si prefigge di sviluppare le abilità e competenze dello studente, mettendolo in grado di elaborare collegamenti tra i concetti acquisiti con le conoscenze di base in ambito chimico, e la capacità di affrontare problemi usando gli strumenti formali della meccanica quantistica.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

La frequenza e la partecipazione attiva alle lezioni frontali, alle attività di autovalutazione e alle eventuali esercitazioni proposte, unitamente allo studio individuale, consentiranno allo studente di acquisire le conoscenze, le abilità e le competenze di seguito elencate.

Al termine dell’insegnamento lo studente sarà in grado di:

1. Descrivere e analizzare criticamente gli esperimenti fondamentali che hanno condotto alla crisi della fisica classica (effetto fotoelettrico, effetto Compton, onde materiali, esperimento delle due fenditure, corpo nero), identificandone il ruolo nello sviluppo della meccanica quantistica.
2. Comprendere e applicare i postulati della meccanica quantistica, il concetto di stato e di funzione d’onda, il formalismo degli operatori e il significato del processo di misura, inclusi i limiti imposti dal principio di indeterminazione.
3. Impostare e risolvere semplici problemi quantomeccanici relativi a sistemi modello (particella in una buca o barriera di potenziale, oscillatore armonico, rotore), costruendo l’operatore Hamiltoniano e interpretando fisicamente le soluzioni dell’equazione di Schrödinger.
4. Comprendere e utilizzare i principali metodi approssimati della meccanica quantistica, in particolare il metodo variazionale e il metodo perturbativo, applicandoli a semplici sistemi fisici e chimici.
5. Descrivere e interpretare la struttura elettronica degli atomi idrogenoidi e multielettronici, includendo orbitale atomico, spin, determinanti di Slater, potenziale efficace, notazione spettroscopica e correlazione elettronica, e risolvere semplici esercizi correlati.
6. Analizzare e descrivere la struttura elettronica delle molecole, utilizzando il metodo MO-LCAO, comprendendo l’evoluzione dal caso atomico a quello molecolare, la natura del legame covalente e le principali implicazioni chimico‑fisiche, anche attraverso la costruzione di diagrammi degli orbitali molecolari.
7. Comprendere e applicare i principi fondamentali dell’interazione radiazione‑materia e della spettroscopia molecolare (rotazionale, vibrazionale ed elettronica), interpretando semplici spettri e risolvendo esercizi applicativi di base.

Inoltre, al termine dell’insegnamento lo studente avrà sviluppato:

• abilità comunicative, dimostrando di saper esporre in modo chiaro, rigoroso e coerente i concetti della meccanica quantistica, utilizzando una terminologia scientifica appropriata;
• capacità di collegamento e autonomia di giudizio, integrando le conoscenze chimiche di base acquisite nei precedenti insegnamenti con i nuovi strumenti concettuali e formali introdotti;
• capacità di apprendimento autonomo, utili per affrontare insegnamenti avanzati della chimica fisica e discipline affini.
• per ogni blocco concettuale sono fornite delle dispense, facoltative, di approfondimento a complemento degli argomenti trattati.

PREREQUISITI

Per una proficua frequenza è consigliato aver acquisito le nozioni relative agli insegnamenti di:

- Istituzioni di Matematiche;

- Calcolo numerico;

- Fisica Generale con Laboratorio;

- Chimica Generale.

MODALITA' DIDATTICHE

Le modalità didattiche adottate sono progettate in coerenza con i risultati di apprendimento attesi e mirano a favorire non solo l’acquisizione delle conoscenze teoriche, ma anche la loro applicazione alla risoluzione di problemi e lo sviluppo di capacità di analisi critica e di esposizione scientifica, in particolare:

All'insegnamento corrispondono a 6 CFU equivalenti a 150 ore di impegno "effettivo" dello studente e sono così ripartite: 48 ore di lezioni frontali e 102 ore di studio personale. Quest'ultime includono attività didattiche iterative quali: quiz di autovalutazione, forum di discussione, materiali di approfondimento (filmati, articoli, ecc...), fortemente consigliate e che possono essere scelte autonomamente dallo studente.

Le dispense delle lezioni, di norma, sono disponibili (nei limiti del possibile con adeguato anticipo) sulla pagina di AulaWeb dedicata all’insegnamento contestualmente allo svolgimento in aula dei relativi contenuti (lezioni frontali).

L'insegnamento, per rispondere a particolari esigenze quali lavoratori studenti, ha una corrispondenza biunivoca con un sito web correlato (messo a disposizione dall'Ateneo - servizio AulaWeb) ove è prossibile, attraverso una modalità sostanzialmente diacronica, accedere al materiale didattico fornito: dispense, materiale ausiliario (facoltativo) di approfondimento di tipo iterativo e/o non-iterativo, forum di discussione (studente-docente, studente-studente) per gli argomenti associati ad ogni lezione, test/quiz di autovalutazione. 

PROGRAMMA/CONTENUTO

• Introduzione alla meccanica quantistica.

1. Crisi della Fisica Classica (Illustrati e discussi alcuni degli esperimenti base scelti tra: modello atomico, effetto fotoelettrico, effetto Compton, onde materiali – esperimento di Davison-Germer, l’esperimento delle due fenditure, corpo nero e calori specifici).
2. L’equazione di Schrödinger e i postulati della meccanica quantistica (sarà introdotto il concetto di: stato di un sistema, funzione d’onda, operatore. In forma assiomatica saranno discussi i postulati della meccanica quantistica).
   • Introduzione al concetto di misura (cenni) e il principio di indeterminazione.
   • Introduzione all’equazione di Schrödinger e analisi delle sue implicazioni.
3. La meccanica quantistica applicata a sistemi semplici.
   • Particella in una buca/barriera di potenziale (cenni effetto tunnel).
   • Particella con moto rotazionale.
   • Oscillatore armonico.
4. I metodi approssimati per la risoluzione dell’equazione di Schrödinger.
   • Metodo variazionale (discussione generale sul concetto, semplici applicazioni).
   • Metodi perturbativi (cenni).
5. La struttura atomica (caso atomo di idrogeno, spin, atomi polielettronici, determinanti di Slater, modello vettoriale, notazione spettroscopica).
   • Modello idrogenoide e sua estensione agli atomi multielettronici.
   • Orbitali atomici.
6. La struttura molecolare (caso di molecole biatomiche, poliatomiche, concetti base sulla natura del legame, costruzione diagrammi walsh, considerazioni generali).
   • Metodo MO-LCAO per costruire la funzione d’onda polielettronica.
   • Il legame covalente.
7. Applicazioni della meccanica quantistica nella spettroscopia molecolare.
   • Interazione radiazione/materia.
   • Spettroscopia rotazionale.
   • Spettroscopia vibrazionale.
   • Spettroscopia elettronica.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

P. W. Atkins, J. De Paula, Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna, 2004.

P. W. Atkins, R. Friedman, Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press, 2007.

Opzionali:

James R. Barrante, Applied Mathematics for Physical Chemistry

Donald A. McQuarrie, Mathematics for Physical Chemistry

Ralph E. Christoffersen, Basic principles and techniques of molecular quantum mechanics

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

L'inzio delle lezioni è specificato  nel manifesto del corso di studio e si svilupperano secondo l'orario riportato qui.

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame è orale, ha una durata di almeno 45 minuti ed è condotto da due docenti di ruolo.

Attenzione! In variazione alla prassi normale adottata nel CCS, per questo insegnamento (al fine di una miglior gestione organizzativa) l'iscrizione deve essere effettuata 5 giorni lavorativi prima della data di esame.

La prova orale prevede, di norma, quattro domande a verifica dell'acquisizione dei concetti inerenti agli argomenti trattati nell'insegnamento, sinotticamente:

a) Aspetti generali della meccanica quantistica e passaggio dalla fisica classica a quella quantistica (corrispondenti ai primi quattro punti del programma).

b) Atomo idrogenoide e/o atomo polielettronico (corrispondente al quinto punto del programma).

c) Molecole (corrispondente al sesto punto del programma).

d) Spettroscopia (corrispondente al settimo punto del programma).

Per gli studenti Erasmus, su richiesta, la modalità d’esame potrà essere adattata (prova scritta in lingua inglese seguita da discussione dell'elaborato), mantenendo invariati i criteri di valutazione.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Le modalità di accertamento sono progettate in coerenza con i risultati di apprendimento attesi. In particolare, l’esame orale consente di verificare: la conoscenza e la comprensione dei fondamenti teorici della meccanica quantistica; la capacità di applicare tali conoscenze alla risoluzione di semplici problemi relativi a sistemi atomici, molecolari e spettroscopici; l’autonomia di giudizio nell’analisi critica dei modelli trattati; nonché le abilità comunicative attraverso l’uso appropriato del linguaggio scientifico.

Agli studenti all'inizio dell'insegnamento e sul corrispettivo sito su AulaWeb è fornita una tabella docimologia (espressa in trentesimi) con l'indicazione dei criteri valutativi in relazione all'acquisizione delle conoscenze, competenze e abilità/capacità correlate all'insegnamento e il corrispondente punteggio acquisibile.

L'esame è orale e volto alla verifica del raggiungimento di un adeguato livello di conoscenza degli argomenti sviluppati/discussi durante lo svolgimento delle lezioni e la capacità di utilizzare la corretta terminologia unita alla coerenza di esposizione dei concetti.

In particolare saranno valutate, attraverso la discussione di argomenti sviluppati nel programma e/o la risoluzione di esercizi: la profondità e coerenza delle conoscenze acquisite sulle metodologie quantochimiche; la capacità di utilizzare tali conoscenze nella descrizione di sistemi atomici e/o molecolari; le abilità nell'utilizzare le conoscenze e competenze acquisite nel descrivere criticamente casi specifici di sistemi chimico-fisici.

La domanda iniziale della prova è relativa alla scelta di un postulato della meccanica quantistica da discutere criticamente (anche in connessione con il passaggio dalla fisica classica a quella quantistica).

La valutazione tiene conto anche della correttezza formale dei passaggi logici e matematici e della capacità di collegare modelli teorici e fenomeni chimico‑fisici reali.

ALTRE INFORMAZIONI

Per gli studenti con DSA si rimanda a quanto normato dall'Ateneo nelle pagine dedicate del sito.

Per eventuali ulteriori informazioni non comprese nella scheda insegnamento, rivolgersi al docente.