CODICE 66559 ANNO ACCADEMICO 2021/2022 CFU 16 cfu anno 3 FISICA 8758 (L-30) - GENOVA SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE FIS/02 LINGUA Italiano SEDE GENOVA PROPEDEUTICITA Propedeuticità in ingresso Per sostenere l'esame di questo insegnamento è necessario aver sostenuto i seguenti esami: FISICA 8758 (coorte 2019/2020) MECCANICA ANALITICA 25911 2019 FISICA GENERALE 2 57049 2019 FISICA GENERALE 3 57050 2019 MODULI Questo insegnamento è composto da: FISICA QUANTISTICA (A) FISICA QUANTISTICA (B) MATERIALE DIDATTICO AULAWEB PRESENTAZIONE Si illustrano le basi fenomenologiche e la costruzione formale della meccanica quantistica non relativistica. Ci si propone di mettere lo studente in grado di risolvere semplici problemi di meccanica quantistica. La seconda parte del corso e' dedicata alle applicazioni (come per esempio l'evoluzione temporale, i metodi di approssimazione, la teoria dello scattering) OBIETTIVI E CONTENUTI OBIETTIVI FORMATIVI FISICA QUANTISTICA B: Il corso sviluppa i concetti di base della meccanica quantistica, introdotti nel modulo di Fisica Quantistica A, studiandone l'applicazione a sistemi tridimensionali, in particolare l'atomo di idrogeno, ed introducendo svariati sviluppi formali, tra cui lo studio degli stati misti, la teoria delle perturbazioni, il metodo variazionale, il metodo WKB e la teoria dell'urto. OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO Al termine di questi corsi lo studente 1. saprà trattare l'equazione di Schrödinger per sistemi di due particelle (anche identiche) interagenti mediante un potenziale 2. saprà determinare lo spettro dell'Hamiltoniana per problemi centrali mediante l'uso di coordinate sferiche 3. saprà determinare lo spettro dell'atomo di idrogeno 4. saprà determinare lo spettro degli operatori di momento angolare orbitale ed intrinseco (spin) e saprà comporre momenti angolari 5. saprà mettere in relazione le leggi del moto della meccanica classica a quelle della meccanica quantistica, sia utilizzando il metodo WKB, sia utilizzando il metodo variazionale 6. saprà calcolare la perturbazione indipendente dal tempo allo spettro di una hamiltoniana nota 7. saprà determinare un'ampiezza di transizione mediante la teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo 8. saprà esprimere la sezione d'urto in termini di un'ampiezza di transizione 9. saprà scrivere la funzione d'onda per un sistema di particelle identiche 10. saprà determinare la matrice densità per una miscela statistica data ed usarla per calcolare un valor medio PREREQUISITI Conoscenze base di meccanica classica e meccanica analitica, analisi matematica, geometria ed algebra lineare. Fisica Quantistica B: Meccanica quantistica non relativistica in una dimensione (modulo A). MODALITA' DIDATTICHE Il corso è erogato nella forma di lezioni frontali che comprendono: presentazione dei contenuti alla lavagna esercizi svolti alla lavagna dal docente PROGRAMMA/CONTENUTO Obiettivi formativi: Apprendimento dei fondamenti fenomenologici e del formalismo matematico della meccanica quantistica non relativistica e delle sue principali applicazioni, con particolare attenzione alle tecniche di soluzione di problemi. Prima parte 1 Crisi della fisica classica 1.1 Comportamento corpuscolare della radiazione elettromagnetica 1.1.1 La radiazione di corpo nero e la costante di Planck 1.1.2 L'effetto fotoelettrico 1.1.3 L'effetto Compton 1.2 Comportamento ondulatorio della materia 1.2.1 Modelli atomici classici e loro limiti 1.2.2 Le righe spettrali 1.2.3 La teoria quantistica di Bohr 1.2.4 L'interpretazione di De Broglie 1.2.5 L'esperienza di Davisson e Gehrmer 2 Meccanica ondulatoria 2.1 Il significato fisico della funzione d'onda 2.2 Indeterminazione: illustrazione qualitativa 2.3 L'equazione di Schroedinger 2.4 Lo spazio lineare delle funzioni a quadrato sommabile 2.5 Prodotto scalare, definizione di spazio metrico e di spazio di Hilbert 2.6 Equazione di continuita' 2.7 Valori medi di posizione e quantita' di moto 3 Meccanica quantistica in una dimensione 3.1 Particella libera 3.1.1 Il pacchetto d'onda gaussiano 3.1.2 Velocita' di fase e velocita' di gruppo 3.1.3 Relazione di indeterminazione per il pacchetto gaussiano 3.2 Separazione delle variabili e stati stazionari 3.3 Proprieta' generali degli stati stazionari in una dimensione 3.4 La buca di potenziale a pareti infinite 3.4.1 Continuita' della funzione d'onda 3.4.2 Spettro energetico 3.4.3 Autofunzioni dell'hamiltoniano 3.5 L'oscillatore armonico 3.5.1 Metodo algebrico 3.5.2 Metodo analitico 3.6 La buca di potenziale a pareti finite 3.7 Stati legati e stati di scattering; spettro discreto e continuo. Funzioni d'onda in senso improprio. La delta di Dirac. 3.8 Diverse rappresentazioni degli stati quantistici. Rappresentazione posizione e rappresentazione impulso. 3.9 L'interpretazione collettiva delle onde di De Broglie 3.10 Barriere di potenziale: coefficienti di trasmissione e di riflessione, limite semiclassico e limite di barriera sottile. 4 Formulazione generale della meccanica quantistica 4.1 Spazio di Hilbert dei vettori di stato 4.2 Grandezze osservabili e operatori hermitiani 4.3 Proprieta' degli autovettori e degli autovalori degli operatori hermitiani 4.4 Matrici 4.5 Relazione di indeterminazione e pacchetto a indeterminazione minima 5 Meccanica quantistica in tre dimensioni 5.1 L'equazione di Schroedinger per un potenziale centrale 5.2 L'equazione angolare e le armoniche sferiche 5.3 L'equazione radiale: barriera centrifuga, andamenti asintotici della soluzione 5.4 L'atomo di idrogeno 5.5 Momento angolare. L'algebra del momento angolare. Composizione di momenti angolari. Invarianza per rotazioni. Spin. 5.6 La buca sferica, stati legati e soluzioni non legate 5.7 La scatola cubica a pareti riflettenti 5.8 L'oscillatore armonico tridimensionale. Degenerazione. 6 Simmetrie in meccanica quantistica 6.1 Invarianza e conservazione in fisica classica e in meccanica quantistica 6.2 Trasformazioni unitarie 6.3 Momento angolare come generatore delle rotazioni 6.4 Cenni alla teoria dei gruppi: nozioni di gruppo di Lie, algebra di Lie, rappresentazioni. 6.5 Rappresentazioni di SO(3) col metodo tensoriale e legame con le armoniche sferiche Seconda parte: 1 Richiami sul formalismo della meccanica quantistica. 2 Trasformazioni unitarie. Evoluzione temporale: rappresentazione di Schrodinger e di Heisenberg, equazione di Heisenberg. Simmetrie in QM: traslazioni e rotazioni. Simmetrie discrete: P, T. Stati misti e matrice densita' (cenni). 3 Hamiltoniana di particella carica in campo elettromagnetico 4 Teoria delle perturbazioni indipendenti dal tempo. Struttura fine dell'atomo di idrogeno, effetto Zeeman, struttura iperfine. 5 Metodo variazionale. Stato fondamentale dell'atomo di idrogeno, molecola ione idrogeno. 6 L'approssimazione semiclassica e il metodo WKB. 7 Teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Rappresentazione di interazione. Regola d'oro di Fermi, densita' degli stati per particella libera. Emissione stimolata e spontanea, assorbimento di radiazione, vita media di uno stato eccitato, regole di selezione. 8 Teoria dello scattering: equazione di Lippmann Schwinger, approssimazione di Born, serie di Born per l'ampiezza di scattering, funzione di Green come propagatore, sviluppo in onde parziali, sfasamenti, matrice S, condizione di unitarieta', teorema ottico, scattering a basse energie, scattering particelle identiche. TESTI/BIBLIOGRAFIA FISICA QUANTISTICA B: D. J. Griffith, Introduction to Quantum Mechanics, ed. Pearson J. J. Sakurai, J. Napolitano, Modern Quantum Mechanics, ed. Pearson L.D. Landau, E.M. Lifsits, vol. 3: Meccanica quantistica, Editori Riuniti K.Konishi, G.Paffuti Quantum Mechanics: A New Introduction, ed. Oxford DOCENTI E COMMISSIONI CAMILLO IMBIMBO Ricevimento: Su appuntamento. NICOLA MAGGIORE Ricevimento: L'orario di ricevimento è libero, previo appuntamento telefonico o via email. Dipartimento di Fisica, via Dodecaneso 33, 16146 Genova piano 7, studio 709 telefono: 010 3536406 email: nicola.maggiore@ge.infn.it SIMONE MARZANI Ricevimento: su appuntamento previo contatto e-mail. Simone Marzani Dipartimento di Fisica, via Dodecaneso 33, 16146 Genova piano 7, studio 723 telefono 010 353 6397 e-mail: simone.marzani@unige.it Commissione d'esame CAMILLO IMBIMBO (Presidente) STEFANO GIUSTO SIMONE MARZANI NICOLA MAGGIORE (Presidente Supplente) LEZIONI Orari delle lezioni L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy ESAMI MODALITA' D'ESAME esame scritto e orale secondo le modalita' descritte su aulaweb MODALITA' DI ACCERTAMENTO Lo studente accede alla prova orale se la prova scritta è superata secondo i criteri descritti su aulaweb Calendario appelli Data appello Orario Luogo Tipologia Note Insegnamento 11/01/2022 09:00 GENOVA Scritto 08/02/2022 14:00 GENOVA Scritto 02/05/2022 10:00 GENOVA Scritto 09/06/2022 09:00 GENOVA Scritto 04/07/2022 14:00 GENOVA Scritto 09/09/2022 14:00 GENOVA Scritto 11/01/2022 09:00 GENOVA Scritto 08/02/2022 14:00 GENOVA Scritto 02/05/2022 10:00 GENOVA Scritto 09/06/2022 09:00 GENOVA Scritto 04/07/2022 14:00 GENOVA Scritto 09/09/2022 14:00 GENOVA Scritto