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Claudio FONTANESI
Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Chimica-Fisica dei Materiali
Ingegneria dei materiali (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Dare gli elementi di base di chimica fisica in vista delle applicazioni alla chimica fisica dei materiali e delle superfici.
Prerequisiti
Conoscenza operativa di elementi di analisi matematica, geometria, algebra, fisica classica.
Programma del corso
1. MATEMATICA PROPEDEUTICA: Funzioni analitiche, trasformate di Laplace e Fourier, equazioni integrali di Volterra e Fredholm, equazioni differenziali a derivate parziali, funzioni di Green.
2. TENSORI: Tensore metrico, simboli di Christoffel, derivata covariante, coordinate curvilinee.
3. VARIABILI ALEATORIE: Funzioni densità di probabilità, trasformazioni di VA, VA indipendenti, teorema limite centrale.
4. FISICA CLASSICA: Equazioni di Lagrange, Hamilton, Maxwell. Cariche in campo elettromagnetico. Teorema di Noether.
5. TERMODINAMICA CLASSICA.
6. MECCANICA STATISTICA DI NON EQUILIBRIO (1,3,4): Equazioni di Langevin, Fokker-Planck, diffusione. Moto Browniano. Equazioni master.
7. PROPRIETÀ MECCANICHE DEI SOLIDI (2,5): Tensori degli sforzi e delle deformazioni. Moduli di taglio, bulk e Young, coefficiente di Poisson. Termodinamica delle deformazioni.
8. FISICA QUANTISTICA (3,4): Formalismo matematico, interpretazione fisica, sistemi semplici, momento angolare, particelle identiche, quantizzazione del campo elettromagnetico, seconda quantizzazione.
9. STRUTTURA ELETTRONICA E DINAMICA NUCLEARE DELLE MOLECOLE (8): Metodo di Hartree-Fock, spettroscopie rotovibrazionali, elettroniche e di risonanza magnetica.
10. MECCANICA STATISTICA DI EQUILIBRIO (5,8): Operatore densità, entropia, ensemble microcanonico, canonico, grancanonico e isotermo-isobaro, funzioni di partizione. Gas ideali classico e quantistici.
11. STATO SOLIDO (10): Struttura e dinamica reticolare ed elettronica. Proprietà magnetiche.
12. TERMODINAMICA STATISTICA DELLE MOLECOLE (8,10): Funzioni di partizione per molecole biatomiche e poliatomiche.
13. CINETICA CHIMICA (5): Reazioni di vario ordine, reazioni parallele, opposte e consecutive, approssimazione dello stato stazionario, meccanismi di reazioni varie. Teoria delle collisioni.
14. DINAMICA DELLE REAZIONI CHIMICHE (12,13): Teoria dello stato di transizione, reazioni su superfici.
Metodi didattici
Le lezioni, frontali, sono tenute con gesso&lavagna con svolgimento sul momento di tutti i calcoli necessari allo sviluppo della teoria: sono pressoché assenti risultati forniti e non dimostrati. Si fa un uso disinvolto delle tecniche matematiche apprese nei corsi del triennio e, ove necessario, se ne introducono di nuove. Le tecniche matematiche scelte hanno una valenza "universale", e non sono specifiche di problemi di chimica-fisica, pur a essa applicate. All'inizio del corso un breve quiz è sottoposto agli studenti, allo scopo di verificare la dimestichezza con nozioni apprese nel triennio e necessarie al presente corso.
Testi di riferimento
NOTA: Oltre il punto 5 (trattato dal prof. Fontanesi) dei rimanenti punti indicati in programma verranno trattati, ogni anno, solo tre o quattro (la scelta cambia di anno in anno). I numeri indicati in parentesi indicano, per ogni punto, quali punti sono ad esso propedeutici. I testi sotto indicati sono di riferimento generale. Di anno in anno verranno indicati i testi più specifici in funzione degli argomenti svolti.
F. Battaglia, T.F. George, E. Gallicchio, Lezioni di fisica classica e quantistica, CEDAM (1991).
F. Battaglia, Fondamenti di Chimica Fisica, CEDAM (1999).
F. Battaglia e T.F. George, Tensors, Am. J. Phys. 81, 498 (2013).
H. Goldstein, Meccanica Classica, Zanichelli.
D.J. Griffiths, Introduzione alla Meccanica Quantistica, CEA.
Cohen-Tannoudji, Diu, Laloe, Quantum Mechanics, Wiley.
J.J. Sakurai e J. Napolitano, Meccanica Quantistica Moderna, Zanichelli.
K.S. Lam, Non Relativistic Quantum Theory, World Scientific (2009).
F. Han, Problems in Solid State Physics with Solutions, World Scientific (2012)
Verifica dell'apprendimento
La verifica, svolta una settimana dopo la fine delle lezioni, consiste di una prova scritta ove si richiede la risoluzione di alcuni problemi (tipicamente 6, con 5 punti per problema) dei circa 80 proposti durante il corso. Lo scritto verifica la padronanza delle conoscenze teoriche e la capacità di applicarle. La discussione orale (dopo pochi giorni dalla prova scritta) verte solo sui problemi della prova scritta e ha lo scopo di verificare la consapevolezza di quanto è stato scritto e l'abilità nel comunicarne i contenuti.
Risultati attesi
Lo studente deve essere in grado di leggere, comprenderne il significato e conoscere le tecniche per impostare la soluzione delle equazioni della chimica-fisica nelle quali può imbattersi nella sua attività di studio della scienza dei materiali. Alternativamente, da coloro con interessi professionali diversi da quelli teorici, si attende la capacità di leggere la letteratura teorica nella quale essi potranno imbattersi comunque nella loro professione, foss'anche essa solo a carattere sperimentale.