Scheda dell`insegnamento Requisiti per seguire il corso

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
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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.