Syllabus del corso
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.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso, lo/la studente/essa avrà acquisito una solida comprensione dei concetti fondamentali della fisica moderna, in particolare:
la natura corpuscolare della materia e della carica;
i limiti della fisica classica nel descrivere fenomeni come il corpo nero, l’effetto fotoelettrico e l’effetto Compton;
i modelli atomici storici (Rutherford- Bohr- Sommerfeld);
la natura duale onda-particella e la relazione di De Broglie;
l’origine dei raggi X e i fondamenti delle proprietà magnetiche degli atomi.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Lo/la studente/essa sarà in grado di:
applicare concetti teorici per interpretare fenomeni fisici riconoscendo i limiti della fisica classica per taluni aspetti;
analizzare dati da esperimenti tipici per trarne conclusioni quantitative;
utilizzare modelli per stimare proprietà fisiche della materia
Autonomia di giudizio
Lo/la studente/essa svilupperà la capacità di:
valutare criticamente l'applicabilità dei modelli fisici studiati (classici o quantistici) a diversi fenomeni;
distinguere tra approcci classici e quantistici nella descrizione della realtà fisica;
interpretare in modo autonomo i risultati di esperimenti fondamentali della fisica moderna.
Abilità comunicative
Lo/la studente/essa sarà in grado di:
spiegare con chiarezza e proprietà di linguaggio gli esperimenti tipici della fisica moderna, sia in forma orale sia scritta;
presentare sinteticamente i modelli e le evidenze sperimentali che li hanno supportati;
discutere criticamente la transizione dalla fisica classica alla meccanica quantistica.
Capacità di apprendere
Lo/la studente/essa acquisirà strumenti concettuali e metodologici utili per:
affrontare lo studio di corsi avanzati di fisica (es. meccanica quantistica, fisica dello stato solido, fisica atomica);
comprendere articoli divulgativi o tecnico-scientifici relativi alla fisica moderna;
applicare quanto appreso a contesti nuovi, sia accademici che professionali, che richiedano un ragionamento fisico-quantitativo.
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 reperibili
[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] Alonso-Finn: "Quantum and Statistical Physics"
Referenze difficili da reperire, i cui capitoli utili per il corso vengono forniti dai docenti
[7] Edge-Wehr-Richard: "Introduction to Atomic Physics"
[8] Dekker: "Solid State Physics"
[9] Richtmyer-Kennard-Cooper: "Modern Physics"
[10] Barrow: "Chimica Fisica"
Bibliografia
Granularità della Materia: [1] cap. 4, 5, 7, 8, 9, 19, 20, 33.1, [6] cap. 10, [2] cap. 8.1, [3] cap. 10.1-2 ([5-I] cap. 39, 40, 41, [10] cap. 2)
Granularità della Carica: [2] cap. 3.1, [3] cap. 4.1-2 ([7] cap. 2)
Corpo Nero: [1] cap. 23, [2] cap. 3.2, [3] cap. 3.1-3, [4] cap. 1 ([7] cap. 3)
Calore Specifico dei Solidi: [1] cap. 24, [3] cap. 10.4, [4] cap. 11.5 ([8] cap. 2)
Effetto Fotoelettrico: [2] cap. 3.3, [3] cap. 3.4, [4] cap. 2.1-3
Modelli Atomici: [2] cap. 4, [3] cap. 4, [4] cap. 4
Raggi X: [2] cap. 3.4, [3] cap. 3.5, [4] cap. 2.4-8 ([9] cap. 7)
Onde Materiali: [2] cap. 5, [3] cap. 5, [4] cap. 3,5.1-4 ([5-III] cap. 1, 2, 3)
Le referenze tra parentesi () sono consigliate ma non necessarie
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.
Non sono previste prove parziali.
Nell’esame scritto viene valutata la capacità di comprensione ed esposizione dell’argomento richiesto, sia in termini di descrizione di apparati o grafici sperimentali, sia nel delineare l’aspetto di modellizzazione.
Per quanto riguarda la graduazione del voto: Il voto dello scritto e' espresso in 30-esimi. Ogni esercizio vale un quarto del voto massimo, salvo diverse specifiche. Qualora nell’esercizio vi siano diversi punti e una stima numerica da fornire, il contributo dell’esercizio al voto finale viene suddiviso in modo da valutare anche risposte parziali.
L’esame orale facoltativo, in cui vengono sondate le lacune emerse allo scritto e vengono richiesti argomenti trattati a lezione, è volto a migliorare il voto ottenuto allo scritto.
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
Presentation of phenomena that demonstratethe inadequacy of classical physics theories for their description and formulation of new models that introduce the students to the foundational concepts leading to quantum physics.
Knowledge and Understanding
By the end of the course, the student will have acquired a solid understanding of the fundamental concepts of modern physics, in particular:
the corpuscular nature of matter and electric charge;
the limitations of classical physics in describing phenomena such as blackbody radiation, the photoelectric effect, and the Compton effect;
historical atomic models (Rutherford, Bohr, Sommerfeld);
the wave-particle duality and the De Broglie relation;
the origin of X-rays and the basic principles of atomic magnetic properties.
Applied Knowledge and Understanding
The student will be able to:
apply theoretical concepts to interpret physical phenomena, recognizing the limitations of classical physics in certain contexts;
analyze data from typical experiments and draw quantitative conclusions;
use models to estimate physical properties of matter.
**Independent Judgment
The student will develop the ability to:
critically evaluate the applicability of physical models (classical or quantum) to different phenomena;
distinguish between classical and quantum approaches in the description of physical reality;
independently interpret the results of key experiments in modern physics.
Communication Skills
The student will be able to:
clearly explain typical experiments in modern physics using precise and appropriate language, both orally and in writing;
concisely present physical models and the experimental evidence supporting them;
critically discuss the transition from classical physics to quantum mechanics
Learning Skills
The student will acquire conceptual and methodological tools useful for:
undertaking the study of advanced physics courses (e.g., quantum mechanics, solid-state physics, atomic physics);
understanding popular science or technical-scientific articles related to modern physics;
applying the knowledge gained to new contexts, both academic and professional, that require physical and quantitative reasoning.
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
Available 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] Alonso-Finn: "Quantum and Statistical Physics"
Hard-to-Find References (relevant chapters will be provided by the teachers)
[7] Edge-Wehr-Richard: "Introduction to Atomic Physics"
[8] Dekker: "Solid State Physics"
[9] Richtmyer-Kennard-Cooper: "Modern Physics"
[10] Barrow: "Chimica Fisica"
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)
The references in parentheses () are recommended but not required.
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.
There are no partial tests.
In the written exam, the ability to understand and explain the requested topic is evaluated, both in terms of describing experimental setups or diagrams, and in outlining the modeling aspect.
Regarding the grading: The exam score is expressed in 30 points units. Each exercise is worth a quarter of the maximum score, unless otherwise specified. If an exercise includes multiple parts and requires a numerical estimate, the exercise's contribution to the final grade is distributed so that partial answers can also be assessed.
The optional oral exam, during which gaps identified in the written exam will be addressed and other topics covered in class may be discussed, is intended to improve the score obtained in the written exam.
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.
