Obiettivi Formativi

Fornire conoscenze su: elementi di teoria della relatività – limiti del determinismo classico – corpo nero – elettroni e quanti di radiazione – nucleo atomico – spettri atomici – quantizzazione di Bohr – particelle e onde – atomo di idrogeno – momenti magnetici – spin ed effetti relativistici Il corso di laboratorio intende fornire conoscenze su alcuni esperimenti di Fisica moderna e di Spettroscopia mediante l’esecuzione di esperimenti e l’elaborazione ed interpretazione dei dati così ottenuti.

Learning Goals

Provide knowledge of: Elements of the theory of relativity - the limits of classical determinism - black body – electrons and radiation quanta - atomic nucleus – atomic spectra - Bohr quantization – particles and waves - hydrogen atom - magnetic moments - spin and relativistic effects The laboratory course intends to supply with knowledge about some experiments of modern Physics and of spectroscopy by means of the execution of experiments and the elaboration and interpretation of the so-obtained data.

Metodi didattici

Per il corso di Laboratorio: Lezioni frontali e attività di laboratorio in gruppi di lavoro

Teaching Methods

Relative to the Laboratory course: Frontal lectures in lecture-hall with informatic supports and experiments in laboratory in working groups

Prerequisiti

Calcolo differenziale e integrale, analisi di Fourier. Meccanica ed elettromagnetismo classici, elementi di termodinamica. Relativamente al corso di laboratorio bisogna avere conoscenze su: - elementi di algebra e calcolo differenziale - le leggi fondamentali della fisica - nozioni base di fisica dello stato solido e di elettronica

Prerequisites

Integral and differential calculus. Fourier analisys. Classical mechanics and electromagnetism, basc thermodynamics. With regard to the laboratory course you must have knowledge about: - elements of algebra and differential calculus - the fundamental laws of Physics - basic knowledge of solid state physics and electronics

Verifiche dell'apprendimento

Per il corso di Laboratorio: L’insegnamento prevede un esame unico con il Mod. Fisica 3 del corso di Fisica 3 con Laboratorio L’esame consiste nella presentazione di una tesina, dedicata all’approfondimento individuale di uno degli esperimenti di gruppo eseguiti in laboratorio, e in una prova orale sull’intero programma con discussione della tesina. La tesina va consegnata almeno 15 giorni prima della prova orale. Ogni studente verrà esaminato da almeno 2 componenti della Commissione e sarà tenuto a rispondere ad almeno 3 domande inerenti gli argomenti illustrati nel programma e nella tesina. Per il superamento dell’esame lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito al minimo una conoscenza sufficiente su ciascuno degli argomenti trattati. La valutazione finale terrà conto del livello di conoscenza dei contenuti, delle capacità espositive e di ragionamento dimostrate nella discussione condotta sugli argomenti richiesti

Assessment

Relative to the Laboratory course: The teaching should include a unique exam with the Physics 3 Mod. of the Physics 3 with Laboratory course The exam consists in a presentation of an original manuscript regarding the individual mastering of one of the group experiments carried out in the laboratory and an oral examination about the whole program integrated with the manuscript discussion. The manuscript must be completed and delivered to the teacher at least 15 days before the oral examination. Each student will be examined at least by two members of the commission and will be asked to answer at least 3 questions relative to program and original manuscript subjects To be successful the student must show that he has acquired a sufficient knowledge about each discussed subjects. The final valuation will consider the subject knowledge level, the expositive abilities and the reasoning capabilities that the student will show in the discussion of the requested subjects

Programma del Corso

Radiazione termica, teoria classica della radiazione in cavità, postulato di Plank e sue implicazioni, legge della radiazione di Plank Cenni di teoria della relatività ristretta, invarianza galileiana ed equazioni di Maxwell, interferometro e esperimento di Michelson-Morley, trasformazioni di Lorentz, quadrivettori, quadrivettore energia impulso, leggi di conservazione relativistiche, Effetto Compton. Effetto fotoelettrico, teoria quantistica di Einstein dell’effetto fotoelettrico. Postulato di De Broglie e proprietà ondulatorie delle particelle, Esperimento di Davidson e Germer, dualismo onda-particella, velocità di fase e velocità di gruppo di un’onda associata ad una particella. Modello Atomico di Thomson e suo fallimento, modello di Rutherford, stabilità del nucleo atomico, postulati e modello di Bohr, spettri atomici, formula di Balmer ed accordo col modello di Bohr. Esperimento di Stern-Gerlach Dall’ipotesi di De Broglie all’equazione di Schroedinger, interpretazione di Born della funzione d’onda e postulati della meccanica quantistica. Formalismo di Dirac, osservabili compatibili, principio di complementarietà quantistica. Effetti di interferenza quantistica, Interferometro di Mach-Zender, Bomba di Elitzur-Vaidman PROGRAMMA CORSO DI LABORATORIO: Introduzione al corso e obiettivi. Notizie di base su: -Interazione della radiazione elettromagnetica con atomi e molecole: assorbimento ed emissione -Ampiezza ed intensità delle righe spettrali -Elementi base di un esperimento di spettroscopia ed i diversi tipi di spettroscopia -Rapporto segnale-rumore: potere di risoluzione di uno spettrometro -Componenti di base di un esperimento di spettroscopia in assorbimento: - la sorgente di radiazione - il campione - l’elemento disperdente (prisma, reticolo di diffrazione) - il rivelatore ottico e suoi parametri caratteristici: - fotonico (fotoconduttore, fotodiodo, fotomoltiplicatore) - termico (termocoppia, termopila, bolometro) -Componenti ottici: - filtri (colorati, ND) - specchi (riflettanza e riflettività, coating, materiale da substrato, flatness e qualità della superficie ) -Materiali ottici e influenza del mezzo di trasmissione -Richiami sull’effetto fotoelettrico relativamente alle esperienze di Hallwachs, Lenard, Millikan e alle teoria dei fotoni di Einstein; introduzione alla spettroscopia di fotoemissione a raggi x e ai suoi principi base. -Richiami sulla radiazione di corpo nero relativamente alla teoria classica, di Planck e alle esperienze di Lummer e Pringsheim. -Richiami sulla scoperta dell’elettrone e determinazione della sua carica specifica -Richiami sui potenziali critici di un atomo Esperienze di laboratorio: - Realizzazione di misure di assorbimento ottico su particolari semiconduttori lamellari e confronto degli spettri ottenuti - Realizzazione di misure di trasmittanza su alcuni filtri colorati e neutri - Determinazione dello spessore di un campione lamellare mediante micrometro e per mezzo delle frange di interferenza presenti nello spettro ottico: loro confronto. -Esecuzione dell’esperienza di Millikan sull’effetto fotoelettrico e analisi di dati XPS su alcuni campioni solidi. -Esecuzione dell’esperienza di Lummer e Pringsheim sullo spettro di radiazione di corpo nero -Esecuzione dell’esperienza sulla determinazione della carica specifica dell’elettrone -Esecuzione dell’esperienza di Hertz sull’evidenza dell’esistenza di stati di energia discreti per l’atomo di elio Queste esperienze verranno realizzate utilizzando apparecchiature esistenti presso i gruppi di ricerca del Dipartimento di Fisica e di Scienze della Terra e presso il laboratorio didattico dell’ex- Facoltà di Scienze MM..FF.NN.

Course Syllabus

- Thermal radiation, classical theory of thermal radiation in a cavity, the Plank postulate and its implications, the Plank radiation law. - Elements of the restricted theory of relativity, galilean invariance and Michelson-Morley Maxwell equations, interferometer and experiment, Lorentz transormations, events, 4-vectors, energy momentum 4-vector, relativistic conservation laws, Compton effect. - The photoelectric effect, Einstein’s quantum theory of the photoelectric effect. - De Broglie postulate and wavelike properties of particles, Davidson and Germer experiment, wave-particle duality, phase and group velocity of matter waves. - Thomson atomic mode and its failure, Rutherford model, stability of atomic nuclei, Bohr’s model: postulates and atomic model, atomic spectra, Balmer’s formula and agreement with the Bohr’s model. - Stern-Gerlach experiment - From the De Broglie hypothesis to the Schroedinger equation, Born interpretation of the wavefunction, postulates of quantum mechanics - Dirac notation, compatible observables, principle of quantum complementarity. - Quantum interference effects, Mach-Zender interferometer, Bomb-tester of Elitzur-Vaidman, gravity-induced PROGRAM of the LABORTORY course: Introduction to the course and objective Basic notes about: -Electro-magnetic radiation interaction with atoms and molecules: absorption and emission. -Spectral lines width and intensity. -Basic elements of a spectroscopic experiment and the different types of spectroscopy. -Signal to noise ratio: resolution power of a spectrometer. - Basic components of an absorption spectroscopic experiment: - radiation sources - sample environment - dispersion element (prism, diffraction grating) - detectors and their characteristics: - photonic detectors (photoconductor, photodiode, photomultiplier) - thermal detectors (thermocouple, thermopile, bolometer) - Optical Components: - filters (colour, ND) - mirrors (reflectance, reflectivity, coating, substrate material, flatness and surface quality ) - Optical materials and transmission medium influence Recalls about the photoelectric effect in relation to the experiments of Hallwachs, Lenard and Millikan and the photon theory of Einstein; introduction to x-ray photoemission spectroscopy and its principles Recalls about the black body radiation in relation to the classic theory, the theory of Planck and the experiments of Lummer and Pringsheim Recalls about the electron discovery and the determination of the specific charge e/m Recalls about the critical potentials of an atom and their determination Laboratory experiments: - Execution of optical absorption measurements on some given layered semiconductor compounds and comparison of the obtained spectra - Execution of transmittance measurements on some colour and neutral filters - Determination of a layered sample thickness by means of both a micrometer and the optical spectrum interference fringes: their comparison - Execution of the Millikan experiment about the photoelectric effect and analysis of XPS data on some solid samples - Execution of the Lummer and Pringsheim experiment about the black body radiation spectrum -Execution of the experiment for determining the specific charge e/m - Execution of the experiment for determining the critical potentials of a helium atom All these experiments will be realized by using instruments existing at the research groups of Dipartimento di Fisica e di Scienze della Terra and at the teaching laboratory of ex-Facoltà di Scienze MM.FF.NN.