MODERN PHYSICS LABORATORY
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- GIUSEPPE CIULLO
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- FIS/01
Obiettivi formativi
- Il nome della fisica moderna è attribuito alla rivoluzione scientifica che inizia alla fine del XIX secolo e fu completata all'inizio del XX secolo.
Il corso di laboratorio di Fisica moderna si concentra su questa rivoluzione, che si occupa delle teorie della quantizzazione: la carica elementare quantizzata, la quantizzazione dell'interazione tra elettroni e materia, la quantizzazione dell'energia della luce, la quantizzazione del momento angolare e la dualità della descrizione onda-corpuscolare.
Il corso è in realtà una sequenza di esperimenti progettati per studiare le proprietà di elettroni, fotoni, interazioni elettrone-fotone, atomi e interazioni elettrone-materia.
Le domande fondamentali, affrontate tra la fine del 1800 e l'inizio del 1900, cambiarono il paradigma della scienza della fisica classica verso la formulazione della fisica quantistica.
Durante questo corso, ci saranno molte opportunità di eseguire esperimenti fondamentali e determinanti e acquisire esperienza con una varietà di tecniche sperimentali. Lo studente eseguirà l'analisi e la descrizione dei dati sperimentali, sintetizzati in relazioni di laboratorio sul lavoro sperimentale svolto. Prerequisiti
- Statistica, calcolo differenziale e integrale, fisica classica e moderna.
Contenuti del corso
- Il corso può essere presentato nelle seguenti sezioni, ma molti esperimenti possono essere interpretati da modelli e teorie che coprono trasversalmente le diverse sezioni e alcuni esperimenti contengono anche argomenti o risultati trasversali.
Particelle elementari (10 h)
• La scarica nei gas e l'evidenza e il comportamento di particelle cariche positive e negative.
• Spettrometria di massa e rapporto e/m della particella elementare carica.
• L'esperimento di Millikan e la sua correzione empirica alla legge di Stokes.
• Elettroni nei solidi, nei metalli, nei semiconduttori e l’effetto Hall.
La nascita della fisica quantistica (10 h)
• Teoria del calore specifico e comportamento del corpo nero: la descrizione di Planck.
• Effetto fotoelettrico e conferma del concetto e del valore della costante di Planck.
• L'effetto termoionico e l'energia degli elettroni emessi, l'effetto Schottky.
• Foto-elettricità: esperimento di Lenard sulla fotoemissione dai metalli, gli esperimenti di Millikan sulla velocità delle particelle foto-emesse, la teoria foto-elettrica, l'effetto superficiale sulla foto-emissione. L'effetto foto-elettrico nei metalloidi. Foto-conduttività e foto-emissività.
• Elettroni nei superconduttori.
Spettri atomici (10 h)
• Lo spettro dell'idrogeno, la costante di Rydberg e il raggio di Bohr.
• Gli spettri del sodio e del mercurio: regole di selezione e struttura fine, accoppiamento elettrone-elettrone.
• Gli effetti Zeeman: modello atomico di Bohr, quantizzazione dei livelli di energia, rotazione dell'elettrone, magnetone di Bohr.
• Esperimenti di risonanza magnetica: risonanza di spin elettronico e misure del fattore g.
Raggi X e loro proprietà (12 h)
• La struttura fine degli atomi osservata negli spettri a raggi X.
• La linea K e la relazione con il numero N negli atomi: legge di Moseley.
• Spettri a raggi X.
• Assorbimento di raggi X.
• L'effetto Compton (il comportamento corpuscolare dei raggi X)
• Diffrazione, riflessione e interferenza dei raggi X (il comportamento ondulatorio dei raggi X)
• Struttura cristallina. L'interpretazione di Laue della diffrazione dai centri di diffusione. L'interpretazione di Bragg della riflessione dei raggi X dal piano cristallino. Analisi di Fourier di spettri a raggi X.
Meccanica ondulatoria (6 h)
• Lunghezza d'onda degli elettroni.
• La dispersione di elettroni nel gas. La diffusione anelastica tra elettroni e atomi. L'energia cinetica degli elettroni, una proprietà corpuscolare, viene assorbita in modo quantizzato dagli atomi: esperimento di Frank-Hertz su Neon e mercurio.
Radioattività e scattering (6 h)
• La radioattività: beta, alfa e gamma. I diversi spettri energetici e la "motivazione" obbligatoria del neutrino per la spiegazione del decadimento beta.
• La particella alfa come strumento per l'indagine del modello atomico: l'esperimento di Rutherford. Metodi didattici
- Le lezioni, per qualsiasi situazione sperimentale da affrontare, sono basate su descrizioni teoriche o richiami, mettendo in risalto la crisi della fisica classica.
Le attività di laboratorio, che includono anche una descrizione degli strumenti e delle tecniche utilizzate, saranno decisive per confutazione o la verifica di modelli.
Le sessioni di laboratorio includono l’analisi dei dati e la preparazione di relazioni nella forma di una pubblicazione scientifica. Modalità di verifica dell'apprendimento
- La preparazione degli studenti sarà verificata con due prove: una pratica/scritta e una orale.
Nella prova pratica/scritta lo studente deve condurre un esperimento, raccogliere i dati, analizzarli e scrivere un rapporto in una forma di articolo scientifico.
Nella prova orale lo studente discuterà la sua prova pratica/scritta nel panorama degli argomenti teorici e tecnici sviluppati nel corso. Testi di riferimento
- • Alonso-Finn Fundamental Physics University Physics III Quantum and statistical Physics (Addison-Wesley 1968 USA)
• M. Born Atomic Physics (Dover Publication Inc., 1989, New York).
• A. C. Melissinos, J. Napolitano Experiments in Modern Physics (Academic Press, 2003, San Diego USA)
• A. Rotondi, P. Pedroni, A. Pievatolo Probabilità, Statistica e Simulazione (Springer-Verlag, 2012, Milano) or F. James Statistical Methods in Experimental Physics (World Scientific, 2006, Singapore)
• S. Tolanski Introduction to atomic physics (Longmans Londra 1963).
• Manuals of the experimental apparatuses and experiment descriptions provided by the teacher.
