Scheda dell'insegnamento Denominazione Introduzione alla Fisica Moderna Codice: F0012 Natura dell'insegnamento: obbligatorio Collocazione temporale: II anno, II semestre CFU: 9 Tipologia attività formativa: caratterizzante 9 CFU SSD: FIS/01 (3 CFU) e FIS/03 (6 CFU) Ore di lezione: ~48 ore di lezioni frontali e ~24 ore di esercitazioni in aula Frequenza: Altamente consigliata data la natura non monografica del corso Lingua insegnamento: Italiano Prova scritta + esame orale Previste 3 prove parziali in itinere per l'esonero dalla prova scritta Verifica del profitto Requisiti per seguire il corso È opportuno che lo studente possieda le conoscenze di meccanica, termodinamica ed elettromagnetismo impartite nei corsi del primo biennio del Corso di Laurea in Fisica con un particolare riguardo alla propagazione ondosa in tre dimensioni, all' emissione da dipolo oscillante, alla trattazione classica dei calori specifici e ad elementi di statistica di variabili gaussiane. Deve avere dimestichezza con il calcolo differenziale ed integrale in più variabili (abilità nel calcolo e comprensione del significato). È opportuno che lo studente segua il corso teorico parallelo di Meccanica Classica e Analitica. Obiettivi formativi Il corso ha come scopo quello di illustrare la rivoluzione concettuale avvenuta nella fisica durante la prima metà del XX° secolo e che ha portato alla nascita e allo sviluppo delle teorie relativistiche e quantistiche e alla formulazione dei primi modelli atomici e nucleari. Gli argomenti vengono introdotti nel loro contesto storico e sviluppati per lo più come applicazioni avanzate dei concetti acquisiti nei precedenti corsi di fisica generale senza entrare in pieno nei formalismi attuali della meccanica quantistica e relativistica. Eccezione fatta per la relatività ristretta, che verrà sviluppata in maggior dettaglio, ci si limiterà infatti a mostrare come le previsioni basate sui concetti di fisica classica si sono rivelate inadeguate a interpretare una serie di risultati sperimentali (quali lo spettro di corpo nero, le caratteristiche dell'effetto fotoelettrico, della diffusione Compton di fotoni, dei calori specifici dei solidi e delle molecole, le serie spettrali atomiche….) e a mostrare come solo introducendo nuove ipotesi, apparentemente "ad hoc", si possa in realtà arrivare a un quadro coerente della realtà fisica che sia in grado di interpretare i sorprendenti risultati sperimentali ed in particolare il comportamento duale onda-particella mostrato tanto dalla radiazione elettromagnetica quanto dalla materia. In questo percorso si visiteranno tra l'altro i principali modelli atomici (atomo di Bohr e di Bohr-Sommerfeld, ….) che sebbene superati in alcuni aspetti dallo sviluppo formale della meccanica quantistica, conservano tuttora un valore che non e' meramente storico. La via per superare il dualismo onda--corpuscolo, nella descrizione tanto delle particelle quanto della radiazione elettromagnetica, verra' infine discussa euristicamente. Programma Sintetico (Sillabo) Le esperienze sulla velocità della luce e la relatività ristretta: cinematica e cenni di meccanica. La quantizzazione dell' energia e dell'impulso per la radiazione elettromagnetica e i fotoni: il corpo nero, l' effetto fotoelettrico, lo scattering Compton. La quantizzazione della energia degli oscillatori e il calore specifico dei gas molecolari e dei solidi: modello di Einstein e modello di Debye L'atomo di Rutherford, i modelli atomici di Thomson e di Bohr: la spettroscopia atomica e i raggi X La quantizzazione orbitale e spaziale del momento angolare: i numeri quantici atomici Onde di materia e relazione di De Broglie: interferenza tra particelle e i principi della meccanica quantistica Link al Programma Dettagliato Esempio di Prova Scritta Modalità alternative per studenti lavoratori Gli studenti lavoratori che non possono frequentare le lezioni devono comunicarlo al docente e possono studiare gli argomenti sui libri di testo consigliati e sugli appunti disponibili on-line in formato pdf collegandosi a ftp://ftp.aquila.infn.it/users/nardone . Gli studenti sono comunque invitati a partecipare alle prove in itinere che, disponibilità delle aule permettendo, si svolgeranno nel pomeriggio. Libri di Testo Testi consigliati da affiancare agli appunti delle lezioni reperibili alla url ftp://ftp.aquila.infn.it/users/nardone . ∙ Testi di fisica generale, volume o capitoli successivi alla trattazione dell' elettromagnetismo: ad esempio: Fisica Vol II, Mazzoldi, Nigro, Voci, Fondamenti di Fisica: Fisica modena, Halliday, Resnick, Walker, Corso di Fisica: Fisica Moderna, A. Tipler. Buoni per un inquadramento elementare dei problemi, generalmente carenti di dimostrazioni e poveri di inquadramento storico. ∙ Fisica di Berkley Vol III, Fisica di Feynman Vol III. Ottima lettura per chi ha gia' sedimentato i concetti di base. Particolarmente utile per l'introduzione alla meccanica quantistica con la derivazione euristica dei principi (esperimenti ideali con doppia fenditura). ∙ "Introduction to the structure of matter: a course in modern physics", J. J. Brehm, W. J. Mullin. Testo completo e abbastanza autosufficiente, talvolta un po' pedante e lento nelle dimostrazioni. Il testo abbraccia anche molti argomenti non trattati nel corso ma che verranno ripresi in altri corsi. ∙ "Physics of Atoms and Molecules", B.H. Brandsen and C.J. Joachain ed. Longman ∙ "Modern Atomic Physics" , B. Cagnac, J. C. Pebay-Peyroula. Buona la descrizione di alcuni esperimenti storici; un po' datato. ∙ "Fisica Atomica" , Max Born (indicato negli appunti come Born I) Ottimo per i collegamenti con la fisica classica e per la presentazione degli esperimenti fondamentali con molte dimostrazioni nelle appendici. ∙ "Filosofia naturale della causalita' e del caso", Max Born (indicato negli appunti come Born II). Utile per avere un quadro epistemiologico dello sviluppo della fisica moderna, al solito brillanti le dimostrazioni in appendice.