- Area di Scienze
- Corso di Laurea Magistrale
- Scienze e Tecnologie Chimiche [F5401Q]
- Insegnamenti
- A.A. 2020-2021
- 2° anno
- Chimica Fisica dei Materiali
- Introduzione
Syllabus del corso
Obiettivi
-) Presentare i concetti fondamentali legati alla simmetria nei cristalli;
-) Illustrare le conseguenze della presenza dei difetti nei solidi cristallini;
Conoscenze e capacità di comprensione. Al termine del corso lo studente conosce:
- i concetti fondamentali fisico/matematici legati alla simmetria nei cristalli;
- i principi fisici delle tecniche di diffrazione, in particolare riguardo l'analisi diffrattoimetrica per la determinazione della struttura;
- le principali strutture compatte;
- le conseguenze della presenza dei difetti nei solidi;
- l’effetto dei difetti sulle proprietà funzionali dei materiali.
Conoscenze e capacità di comprensione applicate. Al termine del corso lo studente è in grado di:
- risolvere semplici problemi di geometria dello stato solido;
- risolvere semplici problemi di strutturistica in stato solido;
- classificare i difetti in base alla loro caratteristiche;
Autonomia di giudizio. Al termine del corso, lo studente è in grado di:
- scegliere le condizioni di analisi più appropriate per risolvere la struttura di sistemi cristallini;
- correlare le proprietà strutturali dei materiali con quelle funzionali.
Abilità comunicative. Al termine del corso lo studente è in grado di:
- commentare i risultati di semplici problemi di strutturistica;
- illustrare i concetti fondamentali della diffrazione dei cristalli;
- descrivere l’effetto della presenza dei difetti nei sistemi cristallini.
Capacità di apprendere. Al termine del corso lo studente è in grado di:
- leggere le tabelle internazionali di cristallografia comprendendone le informazioni più significative;
- interpretare alcune semplici proprietà funzionali in base alla struttura dei solidi.
Contenuti sintetici
Cristallografia: simmetrie, sistemi cristallini e gruppi spaziali. Esercizi sulla geometria cristallina
Diffrazione di raggi X: la legge di Bragg e il fattore di struttura. Esercizi sul calcolo del fattore di struttura
Difetti nei solidi
Programma esteso
STRUTTURA CRISTALLINA DEI SOLIDI IDEALI E METODI SPERIMENTALI DI DIFFRAZIONE
Solidi cristallini: struttura atomica e simmetria traslazionale. Cella elementare. Reticolo diretto e proprietà geometriche. Operazioni ed elementi di simmetria cenni di teoria dei gruppi e gruppi di simmetria puntuali. Reticoli di Bravais. Gruppi di simmetria spaziali. Diffrazione di raggi X, elettroni e neutroni da parte dei cristalli. Legge di Von Laue e legge di Bragg. Sfera di Ewald. Il reticolo reciproco. Fattore di diffusione atomico e fattore di struttura. Densità elettronica. Effetto del moto termico degli atomi. Simmetria strutturale ed estinzioni sistematiche. Cenni ai metodi sperimentali di diffrazione (metodo delle polveri). Tipi strutturali più importanti derivati dall'esagonale compatto e dal cubico compatto.
DIFETTI PUNTUALI ED ESTESI NEI SOLIDI
Natura dei difetti di punto (vacanze, interstiziali, coppie di Frenkel e coppie di Schottky) e termodinamica del loro processo di formazione. Mobilità ionica e conducibilità ionica nei solidi. Difetti estesi: difetti di sequenza, dislocazioni, bordi di grano. Proprietà principali delle dislocazioni.
Prerequisiti
Sono richieste conoscenze matematiche, fisiche e chimico/fisiche.
Conoscenze matematiche: algebra vettoriale e matriciale, operazione con i numeri complessi.
Conoscenze fisiche: principi di elettromagnetismo, equazioni che descrivono fenomeni di propagazione di onde.
Modalità didattica
Il corso prevede un ciclo di lezioni frontali (5 CFU) intervallato da esercitazioni in classe (1 CFU) in cui il docente illustra gli strumenti necessari per interpretare ie risolvere i problemi.
Nel periodo di emergenza Covid-19 le lezioni si svolgeranno da remoto asincrono con eventi in videoconferenza sincrona.
Materiale didattico
Dispense fornite dai docenti
Immirzi Tedesco “La diffrazione nei cristalli“, libreriauniversitaria.it (capitoli 1-7, 11, 15)
Periodo di erogazione dell'insegnamento
secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'insegnamento prevede un esame scritto e una verifica dell'apprendimento orale. Il superamento della prova scritta (voto >18/30) è propedeutico all'ammissione alla prova orale. L'esame scritto deve essere superato nella stessa sessione in cui si sostiene l'esame orale. Sono previste due verifiche scritte durante il ciclo di lezioni, una intermedia a metà corso e una alla fine. Chi supera positivamente le due verifiche (voto > 18/30 in entrambe) è esentato dalla prova scritta per la corrispondente sessione.
- risoluzione di problemi di simmetria puntuale e/o spaziale,
- determinazione di parametri geometrici (distanze e angoli di legame) in stato solido,
- utilizzo della legge di Bragg e determinazione di fattori di struttura.
L'esame orale mira a verificare le conoscenze acquisite riguardo- i principi fisici delle tecniche di diffrazione, con particolare riguardo alle tecniche legate all'analisi con raggi X,
- il ruolo e gli effetti della presenza dei difetti nei solidi.
Nel periodo di emergenza Covid-19 gli esami orali saranno solo telematici. Verranno svolti utilizzando la piattaforma WebEx e nella pagina e-learning dell'insegnamento verrà riportato un link pubblico per l'accesso all'esame di possibili spettatori virtuali.
Orario di ricevimento
su appuntamento
Aims
2) To present the fundamental concepts related to symmetry in crystals,
3) To explain the consequences of defects in crystalline solids.
Knowledge and understanding.
At the end of the course the student knows:
- the physical/mathematical concepts related to the symmetry in the crystals;
- the physical principles of diffraction techniques, in particular the use of X-ray analysis for determination of the structure;
- the compact structures;
- the consequences of the presence of defects in solids;
- the effect of defects on the functional properties of the materials.
Applying Knowledge and Understanding. At the end of the course the student is able to:
- solve simple problems of geometry in solid state;
- solve simple structural problems;
- classify the defects based on their characteristics;
Making judgment. At the end of the course, the student is able to:
- choose the most appropriate analysis conditions to solve the structure of crystalline systems;
- correlate the structural properties of materials with functional ones.
Communication skills. At the end of the course the student is able to:
- comment on the results of simple structural problems;
- illustrate the fundamental concepts of crystal diffraction;
- describe the effect of the presence of defects in crystalline systems.
Learning skills. At the end of the course the student is able to:
- read the International Tables of Crystallography, including the most significant information;
- interpret some simple functional properties based on the structure of materials.
Contents
X-ray diffraction: Bragg law and structure factor
Defects in solids
Detailed program
Crystals: atomic structure and translational symmetry. Elementary cell and lattice. Symmetry, point group symmetry and group theory. Bravais lattices. Spatial point groups. X-ray, electron and neutron diffraction in crystals. Bragg and Von Laue laws, Ewald sphere. Reciprocal lattice. Single electron scattering, atomic form factor and form factor. Electron density. Effect of the atomic thermal motion. Effect of symmetry on the form factor and systematic absences. Experimental diffraction methods.Structure refinements. Lattices: Cubic Close Packing, Hexagonal Close Packing and Body Centered Cubic.
DEFECTS IN SOLIDS
Point defects: vacancies, interstitials, Frenkel and Shottky defects. Role of defects in ionic mobility and conductivity in solids. Extended defects: dislocations, grain boundary, stacking faults.
Prerequisites
Math: vectors and matrix, complex numbers.
Electromagnetic theory; wave functions.
Laws of Thermodynamic.
Teaching form
Lectures (5 CFU) and exercises (1 CFU)
In the Covid-19 emergency period, lessons will be held remotely asynchronously with synchronous videoconferencing events.
Textbook and teaching resource
Lecture slides,
Immirzi Tedesco “La diffrazione nei cristalli“, libreriauniversitaria.it (chapters 1-7, 11, 15)
Semester
second semester
Assessment method
The written exam consists of:
- resolution of problems of punctual and / or spatial symmetry,
- determination of geometric parameters (distances and bond angles) in solid state,
- use of the law of Bragg and deduction of structural factors.
The oral exam aims to verify the knowledge acquired concerning:
- the physical principles of diffraction techniques, regarding to techniques related to X-ray analysis,
- the role and effects of the presence of defects in solids.
During the Covid-19 emergency period, oral exams will only be online. They will be carried out using the WebEx platform and on the e-learning page of the course there will be a public link for access to the examination of possible virtual spectators.
Office hours
on appointment