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Oggetto:
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Metodologie di caratterizzazione dei materiali con laboratorio

Oggetto:

Material characterization methods

Oggetto:

Anno accademico 2013/2014

Codice dell'attività didattica
MFN1266
Docenti
Prof. Ettore Vittone (Titolare del corso)
Prof. Sandro Uccirati (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Anno
2° anno
Periodo didattico
Secondo semestre
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
8
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Modalità d'esame
discussione relazioni di laboratorio, prova scritta su esercizi e prova orale sugli argomenti trattati a lezione
Prerequisiti
Fisica 1 con laboratorio
Fisica 2 con laboratorio
Chimica Fisica II
Oggetto:

Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

Il corso introduce agli studenti alcuni concetti fondamentali di Struttura della Materia per fornire le basi per una adeguata comprensione di alcune tecniche e della relativa strumentazione per la caratterizzazione fisica dei materiali. 

Il corso fornirà quindi nozioni fondamentali di fisica atomica ed elementi di fisica nucleare per la comprensione dei fenomeni fisici alla base di alcune fra le più diffuse tecniche sperimentali per la caratterizzazione di materiali.

Il corso offre altresì agli studenti la possibilità di effettuare misurazioni di con strumentazione avanzata utilizzando tecniche introdotte nelle lezioni frontali e di analizzare i dati sperimentali con strumenti informatici dedicati.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza adeguata della natura corpuscolare della luce, della struttura dell’atomo e di concetti fondamentali della fisica del nucleo per la comprensione di alcune tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali. Acquisizione del metodo sperimentale per effettuare correttamente misurazioni e di metodologie di analisi dei dati per trarre dalle misure le informazioni necessarie per la caratterizzazione dei materiali.

Oggetto:

Contenuti

  • Lezione I: Martedì 18.03.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Introduzione alla meccanica statistica: [1] 10.1
    • L'equilibrio statistico: [1] 10.2
    • La ditribuzione di Maxwell-Boltzmann: [1] 10.3 fino a eq. 10.7
  • Lezione II: Giovedi' 20.3.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La distribuzione di Maxwell-Boltzmann: [1] 10.3 fino alla fine (pag.440), Esempio 10.1 
    • Significato fisico di α e β : [1] 10.4 fino alla fine (pag. 446)
    • Introduzione alle statistiche quantistiche: [1] 13.1
  • Lezione III: Martedi' 25.3.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La ditribuzione di Bose-Einstein: [1] 13.5, Esempio 13.4
    • Spettro di corpo nero: [2] 49-1, 49-2, Esempio 2, 49-3
  • Lezione IV: Mercoledi' 26.3.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Densita' degli stati di un gas di fotoni: [4] dispense
    • Spettro di corpo nero come gas di fotoni: [1] 13.6, [4] dispense
  • Lezione V: Giovedi' 27.3.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Transizioni radiative stimolate, Laser/Maser: [1] Esempi 13.5, 13.6, [2] 52-5, 52-6, 52-7 (senza esempi)
    • Esercizio sul corpo nero: [2] 49.9
  • Lezione VI: Martedi' 1.4.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • Radiazione di corpo nero: introduzione alla radiometria, termografia
    • Introduzione alla misurazione della costante di Stefan Boltzmann (Slide)
  • Lezione VII: Giovedi' 3.4.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • Introduzione alla colorimetria (dispense)
  • Lezione VIII: Venerdi' 4.4.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • Introduzione alla colorimetria; tecniche sperimentali per la misura del colore (slide).
  • Lezione IX: Martedi' 8.4.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • L'effetto fotoelettrico: [2] 49.5-49.6
    • Esercizi sull'effetto fotoelettrico: [2] 49.35, 49.49
    • La ditribuzione di Fermi-Dirac: [1] 13.2 (fino a eq. 13.3)
  • Lezione X: Giovedi' 10.4.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La ditribuzione di Fermi-Dirac: [1] 13.2 (fino a pag. 524), Esempio 13.2
    • Cenni sulla struttura a bande dei metalli presi da: [1] 6.3
    • L'ipotesi di de Broglie: [2] 50-2
    • Densita' degli stati per il gas di elettroni: [4] dispense
  • Lezione XI: Venerdi' 11.4.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Il gas di elettroni: [1] 13.3,  Esempio 13.2
    • Effetto termoionico: [1] 13.4, [4] dispense
  • Lezione XII: Lunedi' 14.4.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Breve ripasso su interferenza e diffrazione
    • Comportamento ondulatorio delle particelle: [2] 50-1
    • Esperimento di Davisson-Germer e di G.P. Thomson: [2] 50-3
    • Esercizi sulla lunghezza d'onda di de Broglie: [2] Esercizi 50.1, 50.3, 50 15
  • Lezione XIII: Mercoledi' 16.4.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La funzione d'onda: [2] 50-6
    • L'effetto tunnel: [2] 50-8, [4] dispense; Esercizi 50.41, 50.43
  • Lezione XIV: Giovedì 24.4.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • Tecnologia del vuoto 1 (slide); principi, unità di misura, concetto di portata e conduttanza
  • Lezione XV: Lunedì 28.4.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • Tecnologia del vuoto 2 (slide); velocità di pompaggio efficace; curva di evacuazione; principio di funzionamento di pompe meccaniche rotative e pompe a diffusione
  • Lezione XVI: Lunedì 5.5.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • Tecnologia del vuoto 3 (dispense);  principi di funzionamento di pompe per alto e ultra-alto vuoto; principali vacuometri 
  • LezioneXVII: Venerdi' 6.5.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La teoria di Bohr dell'atomo di idrogeno: [2] 51-1
  • LezioneXVIII: Martedi' 8.5.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Atomo di idrogeno nella trattazione di Schrödinger: [2] 51-2
    • Momento angolare e magnetico dell'atomo di idrogeno: [2] 51-3
    • Esperimento di Stern e Gerlach: [2] 51-4
  • LezioneXIX: Giovedi' 9.5.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Esperimento di Stern e Gerlach: [2] 51-4, Esempio 6
    • Lo spin dell'elettrone: [2] 51-5
    • I numeri quantici dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-6
    • Lo stato fondamentale dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-7, Esempio 8
    • Il primo stato eccitato dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-8
  • LezioneXX: Lunedi' 12.5.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Sdoppiamento delle linee spettrali, struttura fine ed effetto Zeeman: [2] 51-9 (fino a pag. 1178)
    • Esercizi sull'atomo di idrogeno: [2] Esercizi 51.3, 51.21, 51 31
    • Lo spettro continuio dei raggi X: [2] 52-1 (fino a eq. 1)
  • LezioneXXI: Martedi' 13.5.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Lo spettro caratteristico dei raggi X: [2] 52-1 (fino alla fine)
    • Classificazione degli elementi di Moseley: [2] 52-2, Esempi 2 e 3 (pag. 1189)
    • Esercizi sui raggi X: [2] Esercizi 52.2, 52.6, 52.10 e 52.11
  • LezioneXXII: Venerdi' 16.5.2014 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Regole per la costruzione degli atomi: [2] 52-3
    • Struttura della tavola periodica, configurazioni elettroniche, Energia di ionizzazione, transizioni ottiche: [2] 52-4
  • LezioneXXIII: martedi' 20.5.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • La fisica del nucleo [2] 54
  • LezioneXXIV: mercoledi' 21.5.2014 - Docente: Prof. E. Vittone
    • Radioattività, reazioni nucleari [2] 54, 55 slide

TUTORAGGIO

Venerdì 23.05.2014, h. 14.00, via Quarello

Giovedì 29.05.2014, h. 11.00, via Quarello

Oggetto:

Programma

Elementi di meccanica statistica classica:

  • Statistica di Boltzmann .
  • Statistica di Bose Einstein: applicazioni al problema del corpo nero, cenni delle tecniche di colorimetria e termografia; principi di funzionamento del laser.
  • Elementi di spettroscopia ottica, colorimetria e termografia
  • Statistica di Fermi-Dirac: applicazione al modello del gas di elettroni nei metalli.

La natura corpuscolare della luce:

  • quantizzazione dell'energia del campo elettromagnetico
  • effetto fotoelettrico
  • effetto termoionico

La natura ondulatoria della materia

  • Lunghezza d'onda di De Broglie; la relazione di indeterminazione
  • La funzione d'onda elettronica; elementi di diffrazione elettronica
  • Effetto Tunnel; cenni della microscopia tunnel a scansione (STM)
  • Elettroni in buche di ponteziali 

Elementi di Fisica Atomica

  • L'atomo di Bohr
  • Atomo di idrogeno, orbitali atomici, momento angolare orbitale e di spin.
  • Atomi multi elettronici: introduzione alle tecniche di fotoemissione (ESCA)
  • Struttura della tavola periodica degli elementi
  • Magnetismo atomico - effetto Zeeman
  • Raggi X caratteristici

Elementi di fisica del nucleo

  • proprietà del nucleo
  • decadimenti radioattivi;
  • Le reazioni nucleari
  • La fissione nucleare,

L'attività di laboratorio si articolerà in esercitazioni sui seguenti argomenti:

Studenti registrati alle attività in laboratorio

Calendario delle attività in laboratorio

CONSEGNA DELLE RELAZIONI: 22 Giugno 2014

VALUTAZIONE DELLE RELAZIONI

Statistical mechanics:

  • Boltzmann statistics .
  • Bose Einstein statistics: applications to the black body problem: 
  • introduction to colorimetry and thermography; principles of laser.
  • Fermi-Dirac statistics:  electron gas in metal.

The corpuscular nature of light.

  • The photon
  • Photoelectric effect
  • Thermoionic effect

The wave nature of matter

  • De Broglie’s hypotheses; Heisenberg uncertainty principle
  • The electron wavefunction: elements of electron diffraction.
  • Tunnel effect; elements of scanning tunneling microscopi (STM).
  • Electrons in potential wells.

Elements fo atomic physics

  • The Bohr atom
  • The hydrogen atom: atomic orbitals; orbital and spin angular momentum.
  • Multi electron atoms: elements of the photoemission techniques (ESCA).
  • The periodi table.
  • The atomic magnetism; Zeeman effect 

Elements of nuclear physics

  • Nuclear structure
  • Radioactive decay. 
  • Nuclear reactions
  • Nuclear fission

Experimental activities:

  • Vacuum techniques
  • Optical spectroscopy in transmittance and reflectance
  • Colorimetry
  • Optical diffraction
  • x-ray spectroscopy
  • Stefan-Boltzmann law 

 

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

[1] M.Alonso, E.J.Finn, Fundamental University Physics, Vol. III, Quantum and Statistical Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 12th ed., 1980

[2] Halliday-Resnick-Krane, Fisica 2, Casa Editrice Ambrosiana, 2002

[3] L. Colombo, Elementi di Struttura della materia, Hoepli-Milano, 2002

[4] Dispense fornite dal docente e disponibili alla voce "Materiale Didattico"



Oggetto:

Note

Tipologia Insegnamento 

Il corso prevede 48 ore di lezione frontale ed esercitazioni in aula e 32 ore di attività in laboratorio.

Modalità dell'esame 

Le modalità di verifica prevedono:

  1. la valutazione della relazione dell’attività svolta in laboratorio
  2. una prova scritta
  3. una prova orale 
  1. Le relazioni di laboratorio possono essere consegnate sia in forma cartacea (quaderno di laboratorio) che in formato elettronico.  La consegna deve avvenire ENTRO IL 22 GIUGNO 2014. Eventuali ritardi verranno considerati in sede di valutazione.  Entro una settimana dalla scadenza i gruppi verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull’analisi delle relazioni di laboratorio e sulla loro valutazione. E’ indispensabile che ci sia almeno un rappresentante per gruppo.  La valutazione sarà comune a tutti i membri del gruppo e peserà 1/3 del voto finale. 
  2. La prova scritta consisterà in esercizi simili a quelli svolti a lezione (esempio di prova scritta, prova scritta del 23.06.2014) ; questi ultimi sono riportati alla voce "esercizi" nel materiale didattico. La durata della prova scritta è di 2 ore. Non sarà consentito portare alla prova scritta libri o appunti; saranno disponibili dati essenziali (e.g. costanti fondamentali, tabella periodica degli elementi ed alcune formule fondamentali) per poter svolgere gli esercizi. La valutazione della prova scritta sostenuta in una sessione d'esame vale per tutta la sessione e solo per quella. Nel caso ci siano due appelli nella stessa sessione lo studente che superi entrambi gli scritti della sessione può presentarsi all'orale scegliendo la valutazione più favorevole. La prova scritta peserà 1/3 del voto finale.
  3. Per accedere alla prova orale e' necessario aver superato nella stessa sessione una prova scritta con almeno 18/30 (in caso di aver sostenuto più di una prova scritta nella stessa sessione, verrà considerata solo quella con esito migliore) ed aver ottenuto una valutazione di almeno 18/30 delle attività di laboratorio.  La prova orale consisterà in
    • una domanda relativa alle esperienze in laboratorio
    • una domanda sugli argomenti trattati nel corso.

La prova orale peserà 1/3 del voto finale.


 

Propedeuticità  

Fisica Generale 1 con laboratorio

Fisica Generale 2 con laboratorio

Chimica Fisica 2

Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

 

 

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Ultimo aggiornamento: 01/07/2014 12:13