Course Syllabus
Obiettivi
Presentazione di fenomenologie che mostrano l’inadeguatezza delle teorie della fisica classica alla loro descrizione e 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, determinazione 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 ipotesi di Einstein 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. Cv dei solidi e dei gas biatomici. Distribuzione di maxwell per il modulo delle velocità, Effusione del gas, Allargamento Doppler termico. Fattore di Boltzmann e cenni alla 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 termodinamica. Legge di Wien. Modello di Rayleigh-Jeans per il corpo nero. Modello di Planck e ipotesi di quantizzazione dell’oscillatore armonico.
- Calore specifico dei solidi secondo Einstein e Debye.
- Effetto fotoelettrico: l’interpretazione di Einstein mediante l'introduzione del fotone.
- Modelli atomici: Thomson, scattering di particelle alfa, modello di Rutherford per 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
Didattica erogativa: Lezioni frontali in aula.
Materiale didattico
Referenze
[1] Blundell: Concepts in Thermal Physics
[2] Tipler-Llewellyn: Modern Physics, 6th edition
[3] Serway-Moses-Moyer: Modern Physics, 3rd edition
[4] Eisberg-Resnick: Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles
[5] Feynman lectures
[6] Edge-Wehr-Richard: Introduction to Atomic Physics
[7] Dekker: Solid State Physics
[8] Richtmyer-Kennard-Cooper: Modern Physics
[9] Alonso-Finn: Quantum and Statistical Physics
Bibliografia
• Granularità della Materia: [1] cap. 4, 5, 7, 8, 9, 19, 20, 33.1, [9] cap. 10, [2] cap. 8, [3] cap. 10 ([5-I] cap. 39, 40, 41)
• Granularità della Carica: [2] cap. 4, [3] cap. 4, [4] cap. 4 ([6] cap. 2)
• Corpo Nero: [1] cap. 23, [2] cap. 3, [3] cap. 3, [4] cap. 1 ([6] cap. 3)
• Calore Specifico dei Solidi: [1] cap. 24, [3] cap. 10, [4] cap. 11.5 ([7] cap. 2)
• Effetto Fotoelettrico: [2] cap. 3, [3] cap. 3, [4] cap. 2
• Modelli Atomici: [2] cap. 4, [3] cap. 4, [4] cap. 4
• Raggi X: [2] cap. 3, [3] cap. 3, [4] cap. 2 ([8] cap. 7)
• Onde Materiali: [2] cap. 3, [3] cap. 5, [4] cap. 3 ([5-III] cap. 1, 2, 3)
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 su una scelta di 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.
Per studenti Erasmus: è possibile sostenere l'esame in lingua inglese su richiesta.
Orario di ricevimento
Su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
Illustrations of phenomena that show the inadequacy of classical physics theories for their description and formulation of new models that introduce the students to the first concept leading to quantum physics.
Contents
- Atomic nature 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 magnetic 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 of 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 and thermal conductibility. Brownian motion.
- Elementary charge: electrolysis (Faraday), e/m estimate (Thomson) classical Zeeman effect. Estimate of the elementary charge (Milikan). Thomson parabolas for positive ions, Isotopes.
- Thermal radiation and Black body. Kirchhoff law. Isotropy of thermal radiation. Law of Stefan-Boltzmann, Black body thermodynamics, radiation pressure. Wien law, Rayleigh-Jeans model for Black body. Planck model and quantization of the harmonic oscillator energy.
- Specific heat of solids: Einstein model and Debye model.
- Photoelectric effect: Einstein's theory of the photon.
- Atomic models: Thomson, scattering of alpha particles, Rutherford model for coulombian scattering. Bohr model: postulates, orbits, energy 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 math and physics courses of the first three semesters of the Bachelor degree in Physics and Mathematics.
Teaching form
Traditional lessons (DIdattica Ertogativa): Lectures in classroom
Textbook and teaching resource
References
[1] Blundell: Concepts in Thermal Physics
[2] Tipler-Llewellyn: Modern Physics, 6th edition
[3] Serway-Moses-Moyer: Modern Physics, 3rd edition
[4] Eisberg-Resnick: Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles
[5] Feynman lectures
[6] Edge-Wehr-Richard: Introduction to Atomic Physics
[7] Dekker: Solid State Physics
[8] Richtmyer-Kennard-Cooper: Modern Physics
[9] Alonso-Finn: Quantum and Statistical Physics
Bibliography
• Atomic nature of matter: [1] cap. 4, 5, 7, 8, 9, 19, 20, 33.1, [9] cap. 10, [2] cap. 8, [3] cap. 10 ([5-I] cap. 39, 40, 41)
• Atomic nature of charge: [2] cap. 4, [3] cap. 4, [4] cap. 4 ([6] cap. 2)
• Balck Body: [1] cap. 23, [2] cap. 3, [3] cap. 3, [4] cap. 1 ([6] cap. 3)
• Specific Heat of Solids: [1] cap. 24, [3] cap. 10, [4] cap. 11.5 ([7] cap. 2)
• Photoecectric effect: [2] cap. 3, [3] cap. 3, [4] cap. 2
• Atomic models: [2] cap. 4, [3] cap. 4, [4] cap. 4
•X rays: [2] cap. 3, [3] cap. 3, [4] cap. 2 ([8] cap. 7)
• Matter waves : [2] cap. 3, [3] cap. 5, [4] cap. 3 ([5-III] cap. 1, 2, 3)
Semester
II semester.
Assessment method
The assessment is reached through a written exam that last three hours, with open questions (4 to be done out of 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.
For Erasmus students: it is possible to take the exam in English.
Office hours
By appointment.
