FONDAMENTI DI MECCANICA QUANTISTICA: INTRODUZIONE ALLE PROPRIETA' ELETTRICHE DEI MATERIALI MOD. 2

L’insegnamento rientra tra le attività formative caratterizzanti del corso di laurea triennale in Chimica e Tecnologie Sostenibili per il Curriculum SCIENZE E TECNOLOGIE DEI BIO E NANOMATERIALI. Scopo della seconda parte del corso è lo studio delle proprietà chimico-fisiche dei materiali che determinano il loro comportamento elettrico quando interagiscono con campi elettrici o magnetici o con radiazioni elettromagnetiche. Il corso analizzerà le ragioni chimico-fisiche che spiegano, ad esempio, perché i metalli conducono elettricità e calore meglio della plastica, perché alcuni materiali hanno un colore specifico, come il rubino, mentre altri, come il vetro, sono più o meno trasparenti. Il corso affronta lo studio di queste proprietà partendo dalla fisica classica e passando quindi all'utilizzo dei principi della meccanica quantistica introdotta nella prima parte dell'insegnamento. Il corso evidenzia come questi materiali sono utilizzati nella costruzione di molti dispositivi che utilizziamo quotidianamente e in che modo lo sviluppo, soprattutto quello indirizzato allo tecnologie sostenibili, deriva dalla nostra capacità di controllare le loro proprietà con estrema precisione.

1) Conoscenze e comprensione:
i) Conoscere e definire correttamente le principali proprietà elettriche dei materiali e la loro classificazione in base al loro comportamento.
ii) Conoscere quali fenomeni fisici sottostanno al loro comportamento
iii) Conoscere come i parametri fenomenologici sono collegati alle proprietà elettroniche della materia

2) Capacità di applicare conoscenze e comprensione
i) Saper applicare i modelli teorici più adatti per la comprensione e la descrizione delle proprietà elettriche dei materiali
ii) Conoscere su quali parametri è possibile agire per modificare tali proprietà
iii) Conoscere come i materiali vengono selezionati in base alle loro caratteristiche per diverse applicazioni

3) Capacità di Giudizio
i) Saper valutare la consistenza logica dei modelli e delle approssimazioni utilizzate per descrivere le proprietà elettriche dei materiali.
ii) Saper valutare i limiti intrinseci dei vari modelli.

4) Abilità Comunicative
i) Saper comunicare con un linguaggio appropriato e scientificamente corretto la natura dei fenomeni fisici analizzati.
ii) Saper giustificare l'applicazione dei formalismi anche dal punto di vista matematico.
iii) Saper interagire con il docente e i compagni formulando domande coerenti

5) Capacità di Apprendimento
i) Saper prender appunti individuando anche eventali errori o incongruenze durante la lezione ( errori di segno, di copiatura o cambi non opportunamente giustificati di formalismo)
ii) Saper selezionare le informazioni in base alla loro rilevanza.
ii) Saper collegare autonomamente le conoscenze sia all'interno del corso con conoscenze derivanti da altri corsi.

Aver raggiunto gli obiettivi formativi dei corsi di matematica (I e II) e fisica generale (I e II) e naturalmente quelli relativi alla prima parte del corso . E' necessario che lo studente conosca le basi del calcolo differenziale e integrale. Inoltre deve conosca il significato di equazione differenziale e sia in grado di risolvere i casi più comuni di equazioni differenziali lineari. Deve inoltre conoscere i concetti base della meccanica quantistica. Questo comporta una certa familiarità nel trattare i numeri e funzioni complesse. In ogni caso sarà effettuato un breve ripasso degli argomenti di base utili alla materia.

In relazione agli obiettivi formativi e ai risultati di apprendimento attesi i contenuti del corso sono così suddivisi:
Introduzione:
Descrizione dei contenuti del corso,
-L'elettrone come particella: la teoria classica:
Legge i Ohm e conduzione: Modello di Drude
Effetto Hall e misura della densità dei portatori di carica e della loro carica.
Interazione con un capo elettrico variabile nel tempo e onde em nei solidi.
Frequanza di plasma.
- L'elettrone come onda: la spiegazione quantistica.
Ripasso dei concetti fondamentali e dell'equazione di Schrödinger: elettrone libero, buca infinita di potenziale, atomo di idrogeno.
La molecola di idrogeno ionizzato con l'approsimazione di Born-Oppenheimer. Obitali di legame e antilegame.
Eletroni liberi nei metalli: il modello di Sommerfield dei metalli.
Densità degli stati e Funzione di distribuzione di Fermi.
Teoria a bande dei solidi : modello di Kronig-Penney.
Numero di stati per banda, massa effetiva degli elettroni in un reticolo periodico, numero effettivo di elettroni liberi: metalli e isolanti
I semiconduttori intrinseci: dove sta l'energia di fermi?
semicondittori estrinseci.
La giunzione pn.
il diodo: applicazioni
I materiali dielettrici:
polarizzazione di un dielettrico.
Tipi di polarizzazione.
Costante dielettrica e indice di rifrazione.
Risposta in frequenza
I materieli magnetici:
Teoria microscopica del magnetismo
Diamagnetismo, paramegnetismo e ferromagnetismo.
Curve di isteresi e domini magnetici: pareti di
funzione di Langevin.
Classificazione dei materiali ferromagnetici in base alla curva di isteresi e loro impieghi tecnologici.
Il laser: principi di funzionamento del laser
emissione spontanea ed emissione stimolata.
Tipi di laser.

L.SOLYMAR,D. WALSH Lectures on the Electrical Properties of Materials. Oxford Science Pubblication.
JAMES D. LIVINGSTONElectronic Properties of Engineering Materials. Wiley
WEI GAO, NIGEL M. SAMMES An introduction to Electronic and Ionic Materials. World Scientific.
Si suggerisce anche un testo divulgativo comunque scientificamente rigoroso che, senza pesanti formalismi può aiutare a comprendere meglio la materia:
"Perchè il Vetro è Trasparente" di B.S. Chandrasekhar. Editore: Il Saggiatore purtroppo l'edizione italiana è fuori catalogo ma si può trovare quella in lingua origianle:
"Why Things Are the Way They Are" Cambridge University Press, 1998
Dispense fornite dal docente

La valutazione dell'apprendimento avviene attraverso una prova orale durante la quale lo studente deve rispondere dimostrando la conoscenza degli argomenti trattati nel corso. Allo studente verrà chiesto di illustrare, utilizzando i corretti formalismi matematici e le proprietà linguistiche appropriate, i modelli fisici più adatti per descrivere la proprietà fisica discussa. Dovrà dimostrare di aver compreso sia l'aspetto formale (uso delle tecniche di calcolo apprese durante il corso) sia le approssimazioni fisiche inerenti a ciascun modello.
Lo studente deve dimostrare di aver pienamente compreso e definito sia il punto di vista fisico che all'interno del formalismo matematico le proprietà che discuterà, collegandole alla fisica del fenomeno e ai principali parametri che lo governano.
La prova orale durerà tra i 30-45 minuti e la valutazione terrà conto:
-Grado di conoscenza acquisita degli argomenti trattati nei seguenti aspetti:
-Capacità di inquadrare il problema (definizione delle grandezze fondamentali, significato del formalismo impiegato, ipotesi e modello adottato)
- Capacità di esposizione (chiarezza, linearità e proprietà linguistiche).

Il voto finale terrà conto dei risultati conseguiti in entrambe le prove della parte 1 e 2

L'insegnamento è organizzato in lezioni frontali generalmente svolte alla lavagna. Il corso sarà comprensivo di esercitazioni numeriche. Viene stimolata la discussione non solo sugli aspetti più tecnici della materia ma anche sulle implicazioni legate alla sua interpretazione.

Nella piattaforma “Moodle” di Ateneo è presente tutto il materiale didattico proiettato durante le lezioni.

Italiano

LA STRUTTURA E I CONTENUTI DELL'INSEGNAMENTO POTRANNO SUBIRE VARIAZIONI IN CONSEGUENZA DELL'EPIDEMIA DI COVID-19.

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