Fisica Generale I

Programma del modulo di
FISICA 3
per il C. L. S. in Ingegneria delle Telecomunicazioni
prof. Stefano Atzeni, A.A. 2004 - 2005
Per ogni argomento si indica un testo che lo tratta con un approfondimento adeguato al presente corso. Il
testo di riferimento per la maggior parte degli argomenti è il Corso di Fisica, in due volumi, di
C. Mencuccini e V. Silvestrini (MS-I e MS-II nel seguito), già adottato per i moduli di Fisica 1 e 2. Per
alcuni argomenti si indicano sezioni o paragrafi di altri testi; per altri ancora una dispensa o appunti
distibuiti in aula.
Legenda:
MS-I: C. Mencuccini e V. Silvestrini, “Fisica I”, Liguori Editore, Napoli (terza edizione, 1996).
MS-II: C. Mencuccini e V. Silvestrini, “Fisica II”, Liguori Editore, Napoli (seconda edizione, 1995).
SB-II: D. Sette e M. Bertolotti, “Lezioni di Fisica 2”, Masson, Milano (1998)
KK: C. Kittel e H. Kroemer, “Termodinamica Statistica”, Boringhieri, Torino (1985).
OS: O. Svelto, “Principles of Lasers”, Plenum, New York (1975, 2004).
HRW: D: Halliday, R. Resnick e J. Walker, Fondamenti di Fisica, Fisica Moderna, Quinta edizione,
Ambrosiana, Milano (2002).
Dispensa: “Appunti sulle statistiche quantistiche”, a cura del docente
Appunti: copia degli appunti del docente
1. Termodinamica Classica
Richiami sul primo principio della termodinamica
Il secondo principio della termodinamica; enunciati di Clausius e di
Kelvin-Planck e loro equivalenza.
Ciclo di Carnot; teorema di Carnot; temperatura termodinamica.
Entropia; integrale di Clausius e disuguaglianza di Clausius; variazione
di entropia di sistemi isolati.
Entropia di un gas perfetto e di un solido
Indipendenza dell’energia interna di un gas perfetto dal volume
(dimostrazione tramite il II principio)
2. Teoria cinetica del gas perfetto
Modello e giustificazione.
Interpretazione cinetica di pressione e temperatura.
Energia interna; principio di equipartizione dell’energia.
Funzione di distribuzione delle velocità di Maxwell e funzione di
distribuzione dell’energia di Boltzmann; Fattore di Boltzmann.
Esempio: cenni alla legge di Arrhenius per la velocità delle reazioni
chimiche.
Esempio: polarizzazione per orientamento di un dielettrico gassoso
MS-I Cap. XV, fino al
§ XV.8.2 incluso (omettendo i
cicli frigoriferi)
Appunti
MS-I Cap. XVII, fino al
§ XVII.3 incluso
(vedi un testo di chimica, per
es. Silvestroni: par. 12.7)
MS-II § III.2, pp. 128-130
(sviluppi analitici facoltativi)
3. Entropia e probabilità termodinamica. Relazione di Boltzmann e sua MS-I §17.4 e 17.5
giustificazione. Applicazione all’espansione libera di un gas perfetto.
4. Dalla crisi della fisica classica alla meccanica quantistica e
ondulatoria
Alcuni motivi di crisi: corpo nero, spettri atomici, stabilità dell’atomo.
Il corpo nero: trattazione classica
Trattazione di Planck; quantizzazione dell’energia
Spettro del corpo nero
Quanti di luce ed effetto fotoelettrico
Il modello atomico di Bohr. Livelli energetici. Spettri di emissione.
I principi della meccanica quantistica e ondulatoria
Principio di corrispondenza; onde di De Broglie e principio di
complementarietà, funzione d’onda e sua interpretazione; principio di
indeterminazione; spin e principio di esclusione; indistinguibilità.
Cenni all’equazione di Schrödinger (argomento facoltativo)
5. Statistiche quantistiche.
Principi generali.
Derivazione della statistica di Bose-Einstein per i fotoni.
Statistiche di Bose-Einstein e Fermi-Dirac per sistemi di N particelle.
6. Applicazioni della statistica di Bose-Einstein
Il corpo nero. Discussione dello spettro; la legge di Stefan-Boltzmann;
scambio termico radiativo. Esempi: bilancio termico della terra; stima
dei parametri del sole; temperatura di un componente ohmico in
assenza di ventilazione.
Assorbimento ed emissione stimolata; emissione spontanea. Relazioni
di Einstein.
Il laser. Proprietà generali.
Guadagno; inversione di popolazione, schemi a tre e quattro livelli;
cenni alle rate equations; saturazione, potenza.
Applicazioni, esempi, esercizi numerici.
Rumore termico di Nyquist-Johnson.
7. Applicazioni della statistica di Fermi-Dirac
MS-II §XII.1 e XII.2
MS-II §XII.3
MS-II § XII.6
MS-II § XII.7
Dispensa
vedi sopra; inoltre:
MS-I §XIV.4.1, 4.2 e 4.6
MS-II § 12.8
OS Cap. I
Appunti
KK § 4.3
L’Energia di Fermi. Gas di elettroni allo zero assoluto e a temperatura SB-II §16.3 – 16.5
finita.
Elettroni nei cristalli e nei semiconduttori.
Bande di energia. Conduttori, isolanti, semiconduttori. Effetto Volta
MS-II, § XII.9.1 e 9.2;
SB-II § 16.6 e 16.7
Semiconduttori intrinseci ed estrinseci (semiconduttori p e n) e loro
proprietà.
Giunzione p-n; diodo; rettificazione
MS-II § XII.9.3
diodo laser.
diodo emettitore di luce (LED).
KK pp. 351-2
HRW § 42.10 (pp. 942-3)
effetto fotovoltaico.
appunti
S.A. 24.5.2005
MS-II § XII.9.3 + appunti