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a Ciclo Unico
Scuola di Scienze
SCIENZA DEI MATERIALI
Insegnamento
CHIMICA FISICA DEI MATERIALI
SCO2045507, A.A. 2019/20

Informazioni valide per gli studenti immatricolati nell'A.A. 2019/20

Principali informazioni sull'insegnamento
Corso di studio Corso di laurea magistrale in
SCIENZA DEI MATERIALI
SC1174, ordinamento 2015/16, A.A. 2019/20
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Curriculum Percorso Comune
Crediti formativi 6.0
Tipo di valutazione Voto
Denominazione inglese PHYSICAL CHEMISTRY OF MATERIALS
Dipartimento di riferimento Dipartimento di Scienze Chimiche
Obbligo di frequenza No
Lingua di erogazione ITALIANO
Sede PADOVA
Corso singolo È possibile iscriversi all'insegnamento come corso singolo
Corso a libera scelta È possibile utilizzare l'insegnamento come corso a libera scelta

Docenti
Responsabile VINCENZO AMENDOLA CHIM/02

Dettaglio crediti formativi
Tipologia Ambito Disciplinare Settore Scientifico-Disciplinare Crediti
CARATTERIZZANTE Discipline fisiche e chimiche CHIM/02 6.0

Organizzazione dell'insegnamento
Periodo di erogazione Primo semestre
Anno di corso I Anno
Modalità di erogazione frontale

Tipo ore Crediti Ore di
didattica
assistita
Ore Studio
Individuale
LEZIONE 6.0 48 102.0

Calendario
Inizio attività didattiche 30/09/2019
Fine attività didattiche 18/01/2020
Visualizza il calendario delle lezioni Lezioni 2019/20 Ord.2015

Syllabus
Prerequisiti: Legge di Coulomb. Campo e potenziale elettrostatico. Legge di Gauss. Equazioni di Poisson e Laplace. Dipolo elettrico. Approssimazione di dipolo per un sistema di cariche.
Proprietà dei conduttori in equilibrio. Schermo elettrostatico. Capacità; condensatore ideale. Energia di un sistema di cariche. Energia del campo elettrostatico. Dielettrici. Costante dielettrica. Polarizzazione. Cariche di polarizzazione. Correnti elettriche e densità di corrente. Conservazione della carica. Legge di Ohm. Effetto Joule. Campo magnetico; forza di Lorentz. Forza elettromotrice. Moto di una carica in un campo magnetico. Forze tra correnti. Momento di dipolo magnetico. Induzione elettromagnetica e legge di Faraday. Campi magnetici variabili e forze non conservative.
Equazioni di Maxwell. Densità e flusso di energia del campo elettromagnetico. Onde elettromagnetiche. Equazione delle onde. Ottica geometrica. Birifrangenza e attività ottica. Fenomeni di interferenza e diffrazione. Cristallo ideale: concetto di ordinamento periodico tridimensionale. Concetto di reticolo, cella cristallografica. Elementi di simmetria cristallografica. 32 gruppi di simmetria puntuale. Principio di Neumann. 230 gruppi spaziali. Fisica della diffrazione. Trasformate ed antitrasformate di Fourier. Legge di Bragg. Radiazione di corpo nero. Legge di Planck. Effetto foto-elettrico. Il modello atomico di Bohr. Principio di corrispondenza e quantizzazione del momento angolare. Velocita' di gruppo e dispersione di onde. Il principio di indeterminazione di Heisenberg. Dualismo onda-particella: esperimento di diffrazione da doppia fenditura. Interpretazione probabilistica di Born della funzione d'onda. Funzione d'onda per particella libera. Equazione di Shroedinger. Oscillatore armonico quantistico. Osservabili e operatori. Quantizzazione di energia e momento angolare. Interazione spin-orbita. Principio di esclusione di Pauli. Distribuzioni di Bose–Einstein e di Fermi–Dirac. Approssimazione di Born-Oppenheimer. Teoria dell’orbitale molecolare. Calcoli quantomeccanici molecolari di campo medio. Approccio di Hartree-Fock. Calcoli semiempirici e ab-inito. Interazione di configurazione. Teoria del funzionale densità. Simmetria molecolare. Elementi ed Operazioni di simmetria puntuale. I gruppi di simmetria puntuali e la classificazione della simmetria delle molecole. Spettroscopie. Teoria della perturbazione indipendente dal tempo e dipendente dal tempo. Interazione con la radiazione elettromagnetica e momenti di dipolo di transizione. Assorbimento, emissione e scattering. Intensità degli assorbimenti e loro relazione con il momento di dipolo di transizione. Coefficienti di Einstein. Regole di selezione per le transizioni. Spettroscopia elettronica. Struttura vibrazionale e fattori di Frank Condon. Spettri elettronici di molecole poliatomiche. Fluorescenza e Fosforescenza. Principi di azione dei lasers. Spettroscopie magnetiche. L’effetto dei campi magnetici sugli spin elettronici e nucleari. Introduzione alla statistica termodinamica. Distribuzione di Boltzman. La funzione di partizione molecolare. Energia interna ed entropia molecolari. Diffrazione delle onde da parte di un cristallo. La teoria classica del cristallo armonico; il calore specifico ad alte temperature: la legge di Dulong-Petit; i modi normali di una catena lineare monoatomica e biatomica; teoria quantistica elementare del cristallo armonico: i fononi; la distribuzione di fononi all'equilibrio termico; il concetto di densità degli stati. Il gas di elettroni: La sfera di Fermi. La conducibilita' elettrica dei metalli nel modello di Drude; la conducibilita' termica dei metalli; interazione elettrone-elettrone: effetti di schermo e principio di Pauli.
Conoscenze e abilita' da acquisire: Il corso si prefigge di fornire una ampia e approfondita trattazione delle correlazioni fra le proprietà strutturali e microscopiche dei materiali e le loro proprietà macroscopiche (ottiche, elettriche, magnetiche, ecc.).
Al termine del corso, lo studente avrà acquisito competenze in merito alla natura tensoriale delle proprietà fisiche dei cristalli, delle proprietà dielettriche ed ottiche degli isolanti, del magnetismo (dia, para, ferro, ferri e antiferro magnetismo), delle proprietà ottiche di metalli e semiconduttori, delle forze intermolecolari, della fotofisica e fotochimica molecolare, dei processi non radiativi di trasferimento di energia, elettronico intra- ed intermolecolare, e di elementi di elettronica molecolare.
Modalita' di esame: L'esame consiste in un colloquio orale che verterà su tutti gli argomenti trattati a lezione.
Si chiederà di esporre gli argomenti sia in modo concettuale che ricorrendo a dimostrazioni matematiche e schemi riprodotti dallo studente sulla lavagna. Tipicamente l'esame si focalizzerà su due argomenti selezionati tra quelli trattati a lezione, e si potrà partire da essi per effettuare collegamenti agli altri argomenti.
In caso sia necessario un livello di approfondimento maggiore delle conoscenze acquisite dallo studente, il numero di argomenti trattati all'esame potrà crescere.
Criteri di valutazione: Lo studente dovrebbe dimostrare una comprensione dei principi generali e una capacità di utilizzarli per la descrizione di specifici materiali e particolari fenomeni.
Coerentemente con la natura interdisciplinare della laurea magistrale in Scienza dei Materiali, dovrebbe, in qualche misura, mostrare una capacità di muoversi tra fisica e chimica e riconoscere sia alcune basi comuni che differenze fittizie o puramente semantiche.
Contenuti: - Natura tensoriale delle proprietà fisiche dei cristalli.
- Proprietà dielettriche ed ottiche degli isolanti.
- Diamagnetismo e paramagnetismo.
- Ferromagnetismo, ferrimagneismo e antiferromagnetismo.
- Proprietà ottiche di metalli e semiconduttori.
- Funzione dielettrica di Lindhard
- Schermaggio dielettrico nei metalli
- Costante dielettrica nei semiconduttori
- Transizioni intrabanda e ottica di plasma
- Transizioni interbanda e funzione densità degli stati congiunta
- Eccitoni di Wannier
- Interazioni elettrone-fonone. Polaroni. Transizione di Peierls.
- Forze intermolecolari
- Natura e classificazione delle f.i.. Trattamenti perturbativi.
- Riconoscimento molecolare e autoassemblaggio
- Fotofisica e fotochimica molecolare
- Fotofisica e fotochimica degli stati aggregati, eccitoni di Frenkel.
- Processi non radiativi: Processi di trasferimento di energia,
- Trasferimento elettronico intra- ed intermolecolare.
- Elementi di elettronica molecolare.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento: L'attività principale si svolge in forma di lezioni d'aula. Viene sollecitata la partecipazione attiva degli studenti riservando tempo a domende e risposte e deviando, di tanto in tanto, dal percorso programmato per introdurre riferimenti a temi attuali e ad attività di ricerca applicativa. Si farà ricorso a quiz, materiale video e campioni reali di materiali proposti a scopo dimostrativo sarà utilizzato per favorire il percorso formativo.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio: Vengono caricate sulla home page del docente le raccolte di diapositive utilizzate durante le lezioni per supportarle con materiale iconografico.
Dispense dettagliate vengono rese disponibili dal docente sulla propria home page.
Una lista precisa di libri di testo sarà fornita dal docente per consentire l'approfondimento degli argomenti trattati a lezione.
Testi di riferimento:
  • Gert Strobl, Condensed Matter Physics: Crystals, Liquids, Liquid Crystals, and Polymers. Berlin: Springer-Verlag, Berlin, 2004. Espande la formazione in fisica dello stato solido a includere altri fasi condensate quali polimeri ecc. Cerca nel catalogo
  • Jacob Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, second or later edition. London: Academic Press, 1991. Interazioni intermolecolari, colloidi e auto-assemblaggio Cerca nel catalogo
  • J.F. Nye, Physical Properties of Crystals. --: Oxford University Press, 1964. Relazioni tra simmetrie strutturali e proprietà fisiche Cerca nel catalogo

Didattica innovativa: Strategie di insegnamento e apprendimento previste
  • Lecturing
  • Questioning
  • Quiz o test a correzione automatica per feedback periodico o per esami
  • Active quiz per verifiche concettuali e discussioni in classe
  • Utilizzo di video disponibili online o realizzati

Didattica innovativa: Software o applicazioni utilizzati
  • google forms

Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Salute e Benessere Istruzione di qualita' Energia pulita e accessibile