PROPAGAZIONE DI ONDE NEI MATERIALI E LABORATORIO

L’insegnamento è una delle attività formative affini/integrative del corso di laurea in Chimica e Tecnologie Sostenibili, destinato agli studenti del curriculum “Materiali”. E’ mirato innanzitutto a far sì che lo studente completi la conoscenza e la comprensione dei principali fenomeni fisici relativi alla propagazione di onde nella materia, necessari soprattutto a inquadrare correttamente l’interazione delle onde elettromagnetiche con la materia condensata. Questo permette successivamente allo studente/ssa del curriculum “Materiali” di integrare la conoscenza della chimica della materia con le conoscenze fisiche, teoriche e applicate, necessarie allo studio delle proprietà e delle tecniche di caratterizzazione di specifici materiali, laddove l’interazione o la propagazione della radiazione gioca un ruolo primario. Un ulteriore aspetto che viene considerato durante il corso è la sostenibilità integrata dei materiali a cui si fa di volta in volta riferimento, in modo da collocare lo studio all’interno di una generale prospettiva di sostenibilità delle applicazioni via via considerate.

Obiettivi formativi dell’insegnamento sono:
1) sviluppare la capacità di applicare allo studio dei materiali le teorie fisiche che descrivono l’interazione delle radiazioni con la materia e la sua propagazione;
2) sviluppare un corretto utilizzo di approcci diversi e complementari nella descrizione delle proprietà fisiche e chimiche della materia in relazione alla propagazione di onde;
3) sviluppare la capacità di legare concetti e teorie alla pratica sperimentale di caratterizzazione e studio dei materiali, anche in riferimento ad altri insegnamenti a carattere sperimentale;
4) sviluppare manualità, dimestichezza e autonomia nell’eseguire attività di sperimentazione in laboratorio, sia da soli sia in gruppo;
5) acquisire dimestichezza con il trattamento dei dati sperimentali raccolti, nonché redigere correttamente un corrispondente report scientifico nel linguaggio appropriato.

1. Conoscenza e comprensione
1.1. Conoscere e comprendere le principali teorie alla base della propagazione e interazione della radiazione elettromagnetica con la materia, sia dal punto di vista ondulatorio sia dal punto di vista corpuscolare.
1.2. Conoscere e comprendere gli ambiti di applicazione dei diversi approcci descrittivi facenti capo a teorie semiclassiche, come ad esempio la descrizione dell’origine dell’indice di rifrazione, o quantistiche, come ad esempio la struttura a bande.
1.3. Conoscere il funzionamento e la configurazione delle principali apparecchiature utilizzate nell’attività sperimentale di caratterizzazione dei materiali, relativamente alle tecniche che sfruttano fenomeni di interazione tra onde e materia.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
2.1. Saper utilizzare le leggi e i concetti appresi nell’allestimento di esperimenti per la caratterizzazione dei materiali.
2.2. Saper utilizzare criticamente le leggi e i concetti appresi nell’interpretazione dei risultati sperimentali e nello studio delle proprietà osservate.

3. Capacità di giudizio
3.1. Saper valutare e scegliere criticamente gli approcci sperimentali più appropriati per lo studio delle proprietà dei singoli materiali, individuando l’eventuale necessità di tecniche complementari atte a garantire la consistenza logica e l’affidabilità dello studio.
3.2. Saper integrare lo studio basato sulla propagazione di onde con le informazioni ricavabili da approcci di tipo diverso, o facenti riferimento ad altri ambiti teorici.
3.3. Saper collocare la potenzialità applicativa dello studio dei materiali considerati all’interno di una prospettiva generale di sostenibilità integrata.

4. Abilità comunicative
4.1. Saper comunicare sia le conoscenze apprese sia gli effetti della loro applicazione utilizzando il linguaggio scientifico appropriato.
4.2. Saper interagire con il docente e con i compagni in modo costruttivo, in particolare durante i lavori sperimentali realizzati in gruppo.

5. Capacità di apprendimento
5.1. Saper prendere appunti in modo esauriente e rigoroso, anche attraverso l’interazione con i compagni.
5.2. Selezionare efficacemente le fonti di riferimento per lo studio, anche attraverso l’interazione con il docente, soprattutto per le parti di programma che non sono individuabili facilmente in un singolo libro di testo.
5.3. Saper essere sufficientemente autonomi nella raccolta e trattamento dei dati sperimentali, sia in termini personali sia in riferimento al lavoro di gruppo.

Avere raggiunto gli obiettivi formativi dei corsi fondamentali di Matematica (Istituzioni di Matematica ed Esercitazioni I e II) e Fisica (Fisica Generale e Laboratorio I e II). E’ inoltre data per scontata la conoscenza della Chimica di base, inorganica e organica.

INTRODUZIONE
Presentazione del corso e sua contestualizzazione all’interno del percorso formativo. Peculiarità del corso in quanto corso curricolare.

RICHIAMI DI FISICA ONDULATORIA
Generalità sulle onde: ampiezza, frequenza, lunghezza d’onda, intensità, polarizzazione. Onde piane, sferiche, armoniche. Onde meccaniche longtudinali e trasversali. Onde elettromagnetiche. Spettro delle onde e.m., sorgenti di onde e.m., legge di Lambert-Beer. Sviluppo di Fourier. Principio di Huygens-Fresnel. Pacchetti d’onda. Cenni di diffrazione e interferenza. Reticolo di diffrazione.

INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA E PROPAGAZIONE NELLA MATERIA
Indice di rifrazione, leggi di Snell, angolo limite, indice di rifrazione complesso, polarizzabilità elettronica. Anisotropia ottica, ellissoide degli indici. Anisotropia indotta da stress o da campo elettromagnetico. Onde e.m. come fascio di fotoni. Effetto fotoelettrico. Cenni di teoria delle bande. Interazione di un’onda elettromagnetica con un dielettrico e con un materiale conduttore.
Assorbimento della luce, luminescenza, fluorescenza, fosforescenza. Ottica non-lineare: suscettività elettrica non-lineare, linearità del secondo ordine, generazione di seconda armonica, frequency-mixing, linearità del terzo ordine, indice di rifrazione non-lineare. Il laser, tipologia di laser. Lo scattering della luce: scattering di Rayleigh, di Mie, di Raman. Principi di ottica guidata: modi guidati, fibre ottiche, metodi per la preparazione e applicazioni di guide di luce planari.

LABORATORIO
Apparati sperimentali: monocromatori, rivelatori, sorgenti. Spettroscopia a reticolo: misure di spettri di emissione di gas caldi. Utilizzo di banchi ottici per misure di spettroscopia di fotoluminescenza.

Come supporto alle basi dello studio della meccanica ondulatoria, ogni testo di Fisica generale a livello universitario è in linea di massima accettabile. Eventualmente, lo studente/ssa mostrerà al docente il testo per l’approvazione. Si suggerisce comunque il testo:
P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, “Elementi di Fisica - Elettromagnetismo e Onde” EdiSES, Napoli 2008.
La parte di interazione radiazione-materia e di propagazione nella materia è rintracciabile in una vasta bibliografia, molto spesso però senza che vi sia un singolo testo che raccoglie tutti i contenuti del corso. Verrà perciò segnalata di argomento in argomento dal docente stesso la fonte a cui riferirsi. Tra i testi generali consigliati sono:
N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, “Solid State Physics”, Cengage Learning, Fort Worth 2003;
K. Nassau, “The Physics and Chemistry of Color - The 15 Causes of Color”, II Ed., Wiley, New York 2000. Materiale specifico su argomenti che risultino di più difficile reperimento sarà fornito direttamente dal docente.

Il metodo previsto di verifica dell’apprendimento si articola in due prove dal superamento obbligatorio: (i) prova orale e (ii) prova di laboratorio. Il voto finale terrà conto dei risultati conseguiti nelle due prove.
(i) La prova orale consiste innanzitutto in una serie di domande riguardanti tutto il programma riportato nella sezione “Contenuti”: lo studente/ssa deve dimostrare sia l’apprendimento degli argomenti svolti a lezione sia la capacità di esporli in maniera formale rigorosa. Sarà inoltre richiesto allo studente/ssa di dimostrare la capacità di sviluppare un ragionamento compiuto, utilizzando le conoscenze acquisite, se posto di fronte a un problema di interpretazione di osservazioni sperimentali o di pianificazione di un’attività sperimentale. Infine, si potrà richieder allo studente/ssa di discutere e giustificare il contenuto del report scientifico sulle attività di laboratorio. La prova orale ha una durata di circa 30-45 minuti e deve essere sostenuta all’interno delle sessioni d’appello d’esame previste ufficialmente. Ha un minimo voto accettabile di 16/30 (vedi note seguenti sul voto finale) e un voto massimo di 30/30.
(ii) La prova di laboratorio consiste nella stesura di una relazione scientifica riguardante l’attività svolta in laboratorio, che deve riportare la descrizione degli apparati sperimentali, la descrizione delle strategie adottate, dei protocolli di misura, dell’elaborazione dei dati raccolti, nonché i risultati finali, con relativa incertezza. La relazione sarà firmata da gruppi di 3-4 studenti/sse.
La relazione viene valutata con un voto compreso tra –2 e +2, che verrà aggiunto al voto della prova orale, ad ogni membro del gruppo, per ottenere il voto finale. Se quest’ultimo non raggiunge i 18/30, lo studente/ssa dovrà ripetere o la parte orale (nel caso sia valutata meno di 18/30 e con il voto sulla relazione non sufficiente a raggiungere i 18/30) o l’attività in laboratorio e la stesura della relazione (se la parte orale è almeno 18/30 ma il voto sulla parte di laboratorio la abbassa sotto alla soglia del 18/30). La relazione di laboratorio dovrà essere consegnata al più tardi entro la data di svolgimento della prova orale.

L’insegnamento è organizzato in:
a) lezioni frontali alla lavagna, integrate da 3-6 proiezioni in powerpoint per la presentazione di esempi di proprietà ottiche dei materiali;
b) attività di laboratorio in cui gli studenti, in gruppi di 3-4 persone, acquisiscono dimestichezza con varie apparecchiature e realizzano la raccolta dei dati sperimentali e la successiva elaborazione. E' richiesta la presenza ad almeno due terzi delle lezioni tenute in laboratorio.
Nella piattaforma moodle di Ateneo sono inoltre presenti i materiali didattici proiettati in aula, nonché eventuali dispense specifiche redatte dal docente su argomenti particolari di più difficile reperimento (e.g., ottica non-lineare).

Italiano

Accessibilità, Disabilità e Inclusione
Accomodamenti e Servizi di Supporto per studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento:
Ca’ Foscari applica la Legge Italiana (Legge 17/1999; Legge 170/2010) per i servizi di supporto e di accomodamento disponibili agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento. In caso di disabilità motoria, visiva, dell’udito o altre disabilità (Legge 17/1999) o un disturbo specifico dell’apprendimento (Legge 170/2010) e si necessita di supporto (assistenza in aula, ausili tecnologici per lo svolgimento di esami o esami individualizzati, materiale in formato accessibile, recupero appunti, tutorato specialistico a supporto dello studio, interpreti o altro), si contatti l’ufficio Disabilità e DSA disabilita@unive.it.

orale

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Povertà e disuguaglianze" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile