MINERALOGIA + LABORATORIO DI MINERALOGIA
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2019/2020
- Docente
- GIUSEPPE CRUCIANI
- Crediti formativi
- 15
- Periodo didattico
- Annualità Singola
- SSD
- GEO/06
Obiettivi formativi
- Alla base del corso c’è il concetto che i processi a scala geologica possono essere compresi ed interpretati attraverso lo studio dei minerali (“alfabeto” della Geologia) che costituiscono le rocce (“parole” della Geologia). Lo scopo del corso è quindi l’apprendimento di conoscenze fondamentali di simmetria, cristallochimica e sistematica dei minerali (modulo “Mineralogia”) e di interazione luce visibile e raggi X con i minerali (modulo “Laboratorio di Mineralogia”) unito all’acquisizione delle abilità di identificare e descrivere i minerali nei contesti geologici e nei relativi processi di formazione e trasformazione sia naturali che artificiali.
Le principali conoscenze fondamentali apprese dagli studenti riguardano:
elementi di base dello stato solido e cristallino;
elementi di cristallografia e simmetria morfologica;
concetti base di cristallochimica;
conoscenza sistematica dei principali gruppi di minerali ‘formatori di rocce’;
comprensione dei fenomeni legati alla propagazione della luce visibile nei minerali;
comprensione dei fenomeni derivanti dalla interazione dei raggi X con i minerali.
Le principali abilità (capacità) acquisite dagli studenti riguardano:
riconoscimento della simmetria di un sistema periodico semplificato bi- e tri-dimensionale;
determinazione della formula cristallochimica dei principali minerali formatori di rocce;
esecuzione delle principali osservazioni per il riconoscimento dei minerali in sezione sottile al microscopio ottico in luce polarizzata;
interpretazione delle analisi eseguite tramite diffrazione dei raggi X. Prerequisiti
- Conoscenze di base acquisite dalla scuola superiore e/o dalla frequenza dei corsi di Matematica (proprietà ed operazioni semplici con i vettori; principali funzioni trigonometriche; cenni sui numeri complessi), Chimica (modelli atomici e struttura elettronica degli atomi; elementi e tavola periodica; peso atomico e molecolare, mole; potenziale di ionizzazione, elettronegatività, numeri di ossidazione; legame chimico; equilibri di fase e chimico; principi di termodinamica; energia libera di Gibbs), Fisica I (grandezze scalari e vettoriali; unità di misura; energia potenziale e meccanica; capacità termica e calore specifico; principi della termodinamica), Geologia I (interno della Terra; introduzione alle rocce magmatiche, metamorfiche e sedimentarie; introduzione ai processi magmatici, sedimentari e metamorfici) e Fisica II (cenni sui campi elettrici e magnetici).
Contenuti del corso
- Il corso integrato di Mineralogia e Laboratorio di Mineralogia è organizzato in due moduli: il primo (Mineralogia) comprende 74 ore (di cui 64 ore di lezioni frontali e 10 ore di esercitazioni) ed il secondo (Laboratorio di Mineralogia) comprende 54 ore (di cui 24 ore di lezioni frontali e 30 ore di esercitazioni).
Modulo I: Stato amorfo e cristallino. Disposizione periodica omogenea atomi nei cristalli. Reticoli 2D e 5 tipi maglie semplici e multipla. Il reticolo di traslazione. Cella elementare. Linee di riflessione ed assi rotazione. Compatibilità rotazioni con traslazione. I 10 gruppi puntuali di simmetria 2D. Linea di riflessione con scorrimento. 17 gruppi planari. [totale gruppo argomenti I-1a: 13 ore] Reticoli 3D e terne assiali. I 14 reticoli di Bravais semplici e multipli. Sistemi cristallini. Centro di inversione, piano di simmetria, assi di rotazione propri ed impropri. Coesistenza elementi di simmetria. Simmetria massima reticoli P. Le 32 classi di simmetria oloedriche e meroedriche. Cristallografia morfologica. Elementi geometrici cristalli. Relazione reticolo di traslazione e morfologia. Leggi cristallografia morfologica. Indici di Miller. Forme cristalline semplici e composte. Proiezione stereografica delle 32 classi. Elicogire e slittopiani. I 230 gruppi spaziali: derivazione dei 13 gruppi del sistema monoclino. Proprietà generali gruppi spaziali. [totale I-1b: 28 ore] Richiami ai tipi di legame chimico. Valenza nominale. Raggi ionici di Shannon. Principi di Goldschmidt e Laves. Impacchettamenti compatti di sfere. Regole di Pauling. Isomorfismo e diagrammi di miscibilità allo stato solido. Polimorfismo e diagrammi di fase. Geminazioni e difetti nei minerali. Proprietà fisiche. Genesi. Classificazioni dei minerali e silicati.[totale gruppo argomenti I-2a: 16 ore] Mineralogia descrittiva di nesosilicati, inosilicati a catena semplice, inosilicati a catena doppia, fillosilicati, tettosilicati, ossidi (spinelli) ed altri gruppi (idrossidi, solfuri, carbonati, solfati, fosfati, alogenuri). Cenni analisi chimiche dei minerali. Calcolo formule cristallochimiche.[totale I-2b: 17 ore]
Modulo II: Generalità radiazione elettromagnetica e luce visibile. Onde. Ottica mezzi isotropi (riflessione, rifrazione, legge di Snell). Indice di rifrazione. Polarizzazione luce. Assorbimento luce (legge Lambert-Beer; colore e pleocroismo; teorie campo cristallino, trasferimento di carica e banda). Mezzi otticamente isotropi ed anisotropi. Il microscopio ottico polarizzante. Birifrazione (esperienza romboedro calcite; onde piane e raggi ordinario e straordinario; relazioni con struttura cristallina). Indicatrici ottiche (principio di Neumann; i.o. uniassica e biassica; asse ottico, normale ottica, piano degli assi ottici; sezioni cicliche e di massima birifrangenza). Colori di interferenza (esperienza cuneo di quarzo; ritardo; analisi della formazione dei c.d.i.; equazione intensità all'uscita dall'analizzatore; tavola di Michel-Levy; lamine ausiliarie). Tipo ed angolo di estinzione. Osservazioni in luce convergente. Figure di interferenza di cristalli uniassici e biassici. Segno ottico. Esercitazioni microscopio ottico.[totale II-1: 17 ore] Introduzione studio cristallografico dei minerali. Produzione raggi X (tubo a raggi X; spettro di emissione; cenni luce di sincrotrone). Interazione raggi X-materia. Equazione onda come numero complesso (cenni trasformata di Fourier). Diffrazione dei raggi X (fattore di diffusione; condizioni di Laue; equazione di Bragg; reticolo reciproco e relazioni con il diretto; sfera di Ewald; fattore di struttura; problema della fase; estinzioni sistematiche). Metodologie sperimentali cristallografia a raggi X (rivelatori per raggi X; cenni sui metodi a cristallo singolo; diffrazione da campione policristallino). Diffrattometri a cristallo singolo e su campione policristallino. Esercitazioni diffrattogrammi polveri. Individuazione della fase cristallina incognita ed indicizzazione. [totale II-2: 17 ore] Metodi didattici
- Lezioni frontali in aula, su tutti gli argomenti, svolte con l’ausilio di presentazioni su schermo e lavoro alla lavagna; gli studenti vengono regolarmente interpellati per la verifica della comprensione degli argomenti trattati.
Esercitazioni in aula sui blocchi di argomenti I-1a, I-1b, I-2b e II-2 (alcune si avvalgono di tutor in aula; il docente/tutor distribuisce il materiale per l’esercitazione, gli studenti lavorano individualmente e/o a gruppi, il docente/tutor coadiuva gli studenti nello svolgimento degli esercizi e verifica la correttezza degli esercizi svolti; è consegnato agli studenti materiale per le esercitazioni con verifica successiva insieme al docente/tutor)
Esercitazioni presso il Laboratori di Microscopia Ottica sul blocco di argomenti II-1 (con gli studenti posizionati in piccoli gruppi davanti al microscopio, il docente illustra le osservazioni da svolgere ed assiste gli studenti nell’esecuzione delle stesse)
Esercitazioni presso i Laboratori di Diffrattometria (polveri e cristallo singolo) sul blocco di argomenti II-2 (con gli studenti davanti alla strumentazione complessa, il docente/tutor illustra e coordina l’esecuzione delle misure e coinvolge gli studenti nella interpretazione preliminare dei dati registrati). Modalità di verifica dell'apprendimento
- Le prove d’esame sono finalizzate a verificare l’apprendimento e le abilità degli studenti durante lo svolgimento del corso ed al termine dello stesso.
Sono previste quattro prove scritte ‘in itinere’ (parziali) per gli argomenti dei gruppi I-1a+b (1° parziale), I-2a+b (2° parziale), II-1 (3° parziale) e II-2 (4° parziale): il 1° parziale (di norma ad inizio Novembre) prevede 8-9 quesiti tra cui lo svolgimento di quattro esercizi (indici, gruppo piano, proiezione stereografica, gruppo spaziale); il 2° parziale (Gennaio) prevede 12 quesiti tra cui un esercizio (formula cristallochimica); i parziali 3° (metà Aprile) e 4° (metà Giugno) prevedono 8 quesiti ciascuno. Per ciascuna prova scritta è concesso un tempo di 2-2 ½ ore. Prove scritte di recupero previste a Febbraio e Luglio. Gli esiti delle prove sono comunicati agli studenti(*) al termine dei relativi moduli (i.e. nelle sessione di esame Gennaio-Febbraio per le prove 1° e 2°, Giugno-Luglio per le prove 3° e 4°). Le prove scritte sono valutate in trentunesimi e ripartite in tre categorie: i) superata con voto sufficiente (> 18 o più alto), ii) non superata con voto leggermente insufficiente ma integrabile con colloquio orale e iii) non superata con voto molto insufficiente. La prova ‘in itinere’ relativa a ciascun parziale può essere anche sostenuta come prova orale. In aggiunta ai quatto parziali (scritti e/o orali) è previsto come ultima prova scritta un esercizio su un diffrattogramma. Il voto finale assegnato allo studente risulterà dalla media dei voti attribuiti alle quattro prove parziali (scritte, eventualmente integrate da orali) pesata per ¾ e dal voto assegnato alla prova del diffrattogramma pesato ¼.
(*)La comunicazione è posticipata onde evitare effetti disincentivanti in caso di esito negativo. Testi di riferimento
- Materiale delle presentazioni utilizzato a lezione dal docente e reso disponibile sul minisito del corso, da integrarsi con appunti presi a lezione dagli studenti.
Testi utili per lo studio:
BONATTI e FRANZINI - Cristallografia mineralogica - Boringhieri, 1984.
GOTTARDI - I minerali - Boringhieri, 1992
KLEIN - Mineralogia - Zanichelli, 2004
PUTNIS - Introduction to Mineral Sciences - Cambridge University Press, 1992
MAZZI e BERNARDINI - Fondamenti di Cristallografia e Ottica Cristallografica - USES, 1983.
Testi per approfondimenti per approfondimenti di argomenti specifici:
BORCHARDT-OTT - Crystallography - Springer Verlag.
NESSE - Introduction to Optical Mineralogy - Oxford University Press, 1991.
