CODICE 57227 ANNO ACCADEMICO 2020/2021 CFU 8 cfu anno 2 SCIENZA DEI MATERIALI 8765 (L-30) - GENOVA SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE FIS/02 LINGUA Italiano SEDE GENOVA PERIODO 2° Semestre PROPEDEUTICITA Propedeuticità in ingresso Per sostenere l'esame di questo insegnamento è necessario aver sostenuto i seguenti esami: SCIENZA DEI MATERIALI 8765 (coorte 2019/2020) FISICA GENERALE (1° E 2° MODULO) 52451 2019 MATERIALE DIDATTICO AULAWEB PRESENTAZIONE L’insegnamento intende fornire un quadro generale della fisica moderna. Partendo dalla termodinamica statistica e dalla teorie delle onde meccaniche ed elettromagnetiche si procederà alla discussione della transizione dalla fisica classica a quella quantistica con alcuni cenni alla teoria della relatività. Particolare accento verrà posto sui tratti comuni della teoria classica delle onde e la meccanica ondulatoria, sulla discussione degli esperimenti e sulla soluzione di semplici problemi. OBIETTIVI E CONTENUTI OBIETTIVI FORMATIVI Fornire un buon livello di conoscenza dei principali effetti quantistici negli atomi, nuclei e molecole, nei gas e nella materia condensata OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO Lo scopo del corso è portare gli studenti a un buon livello di conoscenza dei principi di base della fisica moderna. Ci si aspetta che lo studente sia in grado di applicare tecniche matematiche quali le serie e gli integrali di Fourier alla risoluzione di problemi di fisica moderna. MODALITA' DIDATTICHE TRADIZIONALE PROGRAMMA/CONTENUTO La fisica moderna, sviluppatesi a partire dalla seconda metà del XIX secolo, ha segnato sotto vari aspetti un salto concettuale rispetto alla fisica classica. Le sue radici sono nella termodinamica statistica e nella teoria classica delle onde. Questi temi costituiscono le prime due parti del corso. La terza parte riguarderà la meccanica quantistica. Nel corso si metterà in evidenza non solo il salto concettuale, ma anche la profonda continuità che lega questi tre importanti capitoli della fisica. Termodinamica statistica Meccanica classica nello spazio delle fasi. Energia e funzione di Hamilton. Significato microscopico di energia ed entropia. Propagazione del calore, conservazione locale dell’energia ed equazione di Fourier. Entropia di Boltzmann. Significato statistico della seconda legge della termodinamica. Modello di Ehrenfest. Fluttuazioni termodinamiche e formula di Einstein. Rudimenti di probabilità: variabili casuali, distribuzioni continue e discrete, valor medio e varianza, indipendenza statistica. Camminata casuale e cenni alla teoria del moto browniano. Distribuzione di Gibbs e calcolo dei valori medi mediante la funzione di partizione; applicazioni al gas ideale e a sistemi con livelli discreti di energia. Teorema di equipartizione di Boltzmann e calcolo dei calori specifici per gas poli-atomici e confronto con i dati sperimentali. Onde classiche Oscillazioni armoniche libere, modi normali. Propagazione per onde di perturbazioni fisiche. Onde elastiche nei fluidi. Equazione di D'Alembert. Onde stazionarie e corda vibrante. Equazione di Helmholtz. Leggi locali di conservazione ed equazione di continuità. Onde elettromagnetiche. Onde piane e sferiche. Pacchetti d'onda e analisi di Fourier. Teorema della larghezza di banda (“principio di Heisenberg classico”). Mezzi dispersivi. Velocita di fase e velocità di gruppo. Relazioni di dispersione ed equazioni d’onda. Interferenza di onde e coerenza. Esperimento delle due fenditure. Diffrazione. Ottica di Fourier. Principio di Fermat e di Huygens. Cenni alla teoria della relatività ristretta. Onde quantistiche Elementi di crisi delle teorie classiche: corpo nero, effetto fotoelettrico. Campo elettromagnetico in una cavità come insieme di oscillatori indipendenti. Ipotesi di Einstein E= h nu e determinazione della distribuzione di Planck. Legge di Stefan-Boltzmann. Ipotesi di de Broglie mv= h /lambda e sua verifica sperimentale (dall’esperimento di Davidson e Germer ad esperimenti recenti di interferenza di onde materiali). Principio di minima azione e principio di Fermat. Onde di energia e onde di materia. Concetti base della meccanica quantistica: equazione delle onde in mezzi dispersivi ed equazione di Schroedinger dipendente dal tempo, funzione d'onda e stato quantistico. Equazione di continuità e interpretazione probabilistica della funzione d'onda. Principio di indeterminazione. Regole di corrispondenza. Funzione di Hamilton classica e operatore di Hamilton quantistico. Stati stazionari ed equazione di Schroedinger indipendente dal tempo. Stati liberi e stati legati. Pacchetti gaussiani. Equazione di Schroedinger con potenziale, studio di alcuni casi unidimensionali: buche, barriere di potenziale e oscillatore armonico. Calcolo dell’energia media di un oscillatore armonico quantistico in contatto con un termostato. L'equazione di Schroedinger in tre dimensioni. Buca di potenziale cubica infinita e la nozione di degenerazione dei livelli. L’atomo di Idrogeno: livelli e numeri quantici. L’esperimento di Stern-Gerlach e lo spin. Meccanica quantistica di sistemi a più particelle. Bosoni e Fermioni. Entanglement. TESTI/BIBLIOGRAFIA - Chimica Fisica, Peter Atkins e Julio De Paula, (Zanichelli 2012); - Introduction to Quantum Mechanics: David J. Griffiths (Benjamin Cumming, 2004); - La fisica di Feynman, Volume 3. “Meccanica quantistica” (Zanichelli 2007); disponibile anche on-line in inglese gratuitamente: http://www.feynmanlectures.info/ - Dispense ed esercizi disponibili sul:https://www.ge.infn.it/~zanghi/fisicamoderna/fm2019.html DOCENTI E COMMISSIONI PIERANTONIO ZANGHI' Ricevimento: Previo appuntamento per email: Nino.Zanghi@ge.infn.it Ricevimenti Laureandi: Mercoledì h. 16 (DAFIST, sez.FILOSOFIA,V.Balbi 4,II p.) e previo appuntamento per email Commissione d'esame PIERANTONIO ZANGHI' (Presidente) CAMILLO IMBIMBO PAOLO SOLINAS SILVANA TERRENI NICODEMO MAGNOLI (Presidente Supplente) LEZIONI INIZIO LEZIONI Il calendario delle lezioni è pubblicato sul Manifesto degli Studi 2020 https://servizionline.unige.it/unige/stampa_manifesto/MF/2020/8765.html Orari delle lezioni FISICA MODERNA ESAMI MODALITA' D'ESAME Scritto, Orale Calendario appelli Data appello Orario Luogo Tipologia Note 26/01/2021 09:30 GENOVA Orale 16/02/2021 09:30 GENOVA Orale 22/06/2021 09:30 GENOVA Orale 13/07/2021 09:30 GENOVA Orale 14/09/2021 09:30 GENOVA Orale