Course Syllabus
Obiettivi
Presentazione di fenomenologie che mostrano l’inadeguatezza delle teorie della fisica classica alla loro descrizione, conseguente formulazione di nuovi modelli che introducono lo studente ai primi concetti che portano alla fisica quantistica.
Contenuti sintetici
Corpuscolarità della materia (distribuzione di Maxwell-Boltzmann) e della carica (e/m secondo Thompson , Zeeman det. di e secondo Millikan).
Comportamento non classico della radiazione e.m. Corpo nero e ipotesi di Planck della quantizzazione dell’oscillatore e.m. Effetto fotoelettrico e l’ipotesi di Eistein sul fotone. Applicazione dell’oscillatore di Planck al calore specifico dei solidi – modelli di Einstein e Debye.
Modelli atomici: scattering coulombiano di Rutherford, spettri atomici, modello di Bohr, modello di Sommerfeld. Cenni sulle proprietà magnetiche degli atomi.
Onde e.m. o fotoni? Raggi X, effetto Compton.
Particelle o onde? Relazione di De Broglie, Diffrazione con elettroni.
Programma esteso
Teoria cinetica dei gas. Equipartizione dell’energia: successi e fallimenti. Cvdei solidi e dei gas biatomici. Distribuzione di maxwell per il modulo delle velocità, Effusione del gas, Allargamento Doppler termico. Fattore di Boltzmann cenni sulla distribuzione statistica di Boltzmann - libero cammino medio in un gas, coefficienti di trasporto: Viscosità Conducibilità termica. Moto Browniano.
Carica elementare: elettrolisi (Faraday); stima di e/m(Thomson) effetto Zeeman classico. Stima della grandezza della carica elementare (Millikan). Parabole di Thomson per gli ioni positivi. Isotopi
Radiazione termica e Corpo nero. Legge di Kirchoff, isotropia della radiazione termica. Legge di Stefan Boltzmann, Termodinamica del corpo nero, pressione di radiazione, derivazione termodin. Legge di Wien. Modello di Rayleigh-Jeans per il corpo nero, Modello di Planck, ipotesi di quantizzazione dell’oscillatore armonico.
Calore specifico dei solidi secondo Einstein e Debye
Effetto fotoelettrico: l’interpretazione di Einstein e il fotone
Modelli atomici: Thomson, Scattering di particelle alfa, modello di Rutherford x lo scattering coulombiano.Modello di Bohr: postulati, orbite, energie dei livelli, serie atomiche. Esperimento di Franck Hertz, effetto di rinculo. Regole di quantizzazione di Wilson Sommerfeld: (particella in una scatola 1D e 3D, degenerazione livelli energetici) . Proprietà magnetiche degli atomi (fisica classica), Illustrazione esperimento di Stern e Gerlach.
Raggi X: produzione, spettro continuo,legge di Moseley, legge di Bragg per la diffrazione Sezione d’urto di Thomson per l’elettrone, effetto Compton, produzione di coppie.
Ipotesi di De Broglie Diffrazione degli elettroni: esperimento di Davisson/Germer
Principio di indeterminazione di Heisenberg: esempi tipici ed esperimento della doppia fenditura.
Prerequisiti
I contenuti dei corsi di matematica e fisica dei primi tre semestri della laurea triennale in fisica e matematica
Modalità didattica
Lezioni frontali in aula
nel caso di emergenza Covid-19, le lezioni sono online in modalità sincrona e/o asincrona. In quest'ultimo caso, incontri settimanali "live" verranno tenuti con gli studenti. Le lezioni registrate sono garantite.
Materiale didattico
Capitoli selezionati su testi indicati (qui di seguito), appunti del docente.
TIPLER “Modern Physics”
Cap.2 – The kinetic theory of matter
Cap 4 – The Nuclear atom
BARROW “Chimica fisica”
Cap. 2 - teoria cinetica
ENGE-WEHR-RICHARDS “Introduction to Atomic Physics”
Cap. 2 - the atomic view of electricity
Cap. 3 - the atomic view of radiation
DEKKER – “Solid State Physics”
Cap. 2 – the specific heat of solids and lattice vibrations
SERWAY-MOSES-MOYER “Modern Physics”
Cap.5 – matter waves
RICHTMYER-KENNARD-COOPER “Modern Physics”
Cap. 7 - X-rays
EISBERG-RESNICK “Quantum Physics”
Cap. 4 – Bohr’s model of the atom
ALONSO – FINN “III-Quantum and statistical physics”
Cap. 10 - classical statistical mechanics
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La verifica del profitto avviene attraverso un esame scritto della durata di tre ore con domande aperte (4/5) in cui si richiede la trattazione di un argomento visto a lezione con piccole dimostrazioni, grafici e, se richiesta, qualche stima numerica. Si richiede l'uso della calcolatrice. Non sono concessi materiali didattici durante lo scritto. Il voto dello scritto e' espresso in 30-esimi.
In seguito allo scritto positivo (>=18/30) lo studente puo' sostenere in via facoltativa un esame orale, o mantenere il voto dello scritto.
Gli studenti con uno scritto valutato 16/30 e 17/30 possono fare l'orale per ottenere una votazione finale >=18/30.
Nel caso di emergenza Covid-19, il docente si riserva di mutare la modalità di verifica o con esami solo orali (online) o con risposte multiple ed orale obbligatorio.
Orario di ricevimento
su appuntamento
Aims
Illustrations of phenomena that show the inadequacy of classical physics theories for their description, formulation of new models that introduce the students to the first concept leading to quantum physics.
Contents
Atomic mature of matter (Maxwell-Boltzmann distribution) and of charge (e/m by Thompson, Zeeman, e determination for Millikan).
Non classical behaviour of e.m. radiation. Black body and Planck hypothesis about e.m. oscillator quantization. Photoelectric effect and Einstein hypothesis about the photon. Application of Planck oscillator to the specific heat of solids: Einstein and Debye models.
Atomic models: Rutherford coulombian scattering, atomic spectra, Bohr model, Sommerfeld model. Elements of magnati properties of atoms.
E.M. waves or photons? X rays, Compton effect.
Particles or waves? De Broglie relation, electron diffraction by a crystal.
Detailed program
Kinetic theory of gases, Equipartition of energy: success and faults. Cv solids and of diatomic gases. Maxwell distribution for the modulus of the molecular velocity. Molecular effusion, Thermal Doppler broadening, Boltzmann factor, notes on classical statistical distribution. Mean free path for gases, transport coefficients: viscosity nd thermal conductibility. Brownian motion.
Elementary charge.: electrolysis (faraday), e/m estimate (Thomson) classical Zeeman effect. Estimate of the elementary charge (Milikan). Thomson Parabolas foe positive ions, Isotopes.
Thermal radiation and Black body. Kirchoff law, Isotropy of thermal radiation, Law of Stefan-Boltzmann, BB thermodynamics, radiation pressure. Wien law, Rayleigh-Jeans model for BB, Planck model, harmonic oscillator energy quantum theory.
Specific heat of solids: Einstein model and Debye model.
Photoelectric effect: the theory of Einstein and the photon.
Atomic models: Thomson, scattering of alpha particles, Rutherford model for columbian scattering. Bohr model: postulates, orbits, energy of levels, atomic series. Franck-Hertz experiment, recoil effects. Quantization rules of Wilson-Sommerfeld (particles in a box, 1D, 3D, levels degeneration). Magnetic properties of atoms, Stern and Gerlach experiment.
X rays: production, continuum spectrum, Moseley law, Bragg law for diffraction. Thomson cross section for the electron, Compton effect, pair production.
De Broglie hypothesis. Electron diffraction: Davisson and Germer experiment.
Heisenberg Uncertainty principle: typical applications and double slit experiment.
Prerequisites
The contents of the maths and physics courses of the first three semesters of the Bachelor degree in Physics and Mathematics
Teaching form
Lectures
In case of Covid-19 emergency, lessons will be online, partially in streaming. In anycase, weekly webconference meetimng with students will be performed. Videos of the lessons will be available.
Textbook and teaching resource
Selected chapters in the following texts and lecturer’s notes.
TIPLER “Modern Physics”
Cap.2 – The kinetic theory of matter
Cap 4 – The Nuclear atom
BARROW “Chimica fisica”
Cap. 2 - teoria cinetica
ENGE-WEHR-RICHARDS “Introduction to Atomic Physics”
Cap. 2 - the atomic view of electricity
Cap. 3 - the atomic view of radiation
DEKKER – “Solid State Physics”
Cap. 2 – the specific heat of solids and lattice vibrations
SERWAY-MOSES-MOYER “Modern Physics”
Cap.5 – matter waves
RICHTMYER-KENNARD-COOPER “Modern Physics”
Cap. 7 - X-rays
EISBERG-RESNICK “Quantum Physics”
Cap. 4 – Bohr’s model of the atom
ALONSO – FINN “III-Quantum and statistical physics”
Cap. 10 - classical statistical mechanics
Semester
II semester
Assessment method
The assessment is reached through a written exam that last three hours, with open questions (4/5) in which the student is requested to expose a topic of the program with small derivations, graphs and, if needed some numerical estimates. The use of a scientific calculator is requested. Access to textbooks during the exam is strictly forbidden. The exam score is expressed in 30 points units.
The student succeeded in a positive written exam (>=18/30) can perform an optional oral exam or keep the rating obtained in the written one.
Those students that have been rated 16/30 and 17/30 in the written exam access the oral exam in order to obtain a final score >=18/30.
In the event of Covid-19 emergency, the lecturer might change the assessment method by introducono either an oral (online) session or a multiple-choice written exam followed by an oral one.
Office hours
By appointment
Key information
Staff
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Maddalena Collini