Corso di laurea in Scienze Biologiche

Corso di laurea in SCIENZA DEI MATERIALI
Insegnamento di TEORIA del LEGAME CHIMICO
1. Docenza
Docente: prof. Carlo LAMBERTI
Dipartimento di Chimica IFM
Tel.: +39011-6707860; Fax: +39011-6707855
e-mail: [email protected]; WEB:
Docente: dr .Gabriele RICCHIARDI
Dipartimento di Chimica IFM
Tel.: +39011-6707841; Fax: +39011-6707855
e-mail: [email protected]; WEB:
2. Finalità ed obiettivi dell’insegnamento
Finalità
Il corso si propone di fornire agli studenti i metodi quantomeccanici della teoria della combinazione lineare di
orbitali atomici atti a determinare autovalori e autostati della funzione d’onda monoelettronica di molecole e
di solidi mono-, bi- e tri-dimensionali.
Obiettivi
L’allievo dovrà essere in grado di comprendere:
• I fondamenti fisici alla base dell’approssimazione di Born-Oppenheimer;
• La differenza fra orbitali molecolari (o cristallini) leganti ed antileganti;
• L’importanza della simmetria degli orbitali molecolari (o cristallini) nelle regole di selezione
spettroscopiche che governano l’assorbimento e l’emissione di fotoni da parte della materia.
• Le componenti covalenti e ioniche di un legame chimico;
• La relazione energia-quantità di moto che lega gli elettroni all’interno di un solido cristallino e la
costruzione delle bande.
• Il concetto di massa efficace
3. Pre-requisiti in ingresso e competenze minime in uscita
Pre-requisiti (in ingresso)
Insegnamenti fornitori
Meccanica e onde
I fondamenti dei corsi di Fisica classica e di meccanica
Elettromagnetismo
quantistica
Meccanica quantistica
Competenze minime (in uscita)
Insegnamenti fruitori
Fisica dello stato solido I
Fisica dello stato solido II
Laboratorio di fisica dello stato solido I
Laboratorio di fisica dello stato solido II
Chimica fisica dei materiali
4. Metodologia didattica
La metodologia didattica impiegata consiste in: lezioni ed esercitazioni in aula;
5. Programma, articolazione e carico didattico
Argomento
Ore Lez.
Ore Eserc.
Definizione dell’Hamiltoniano di una molecola: divisione in 4
termini cinetice e termini potenziali. Approssimazione di
Born-Oppenhaimer, Molecola di H2+, separazione in parte
elettronica e parte nucleare dell’Hamiltoniano.
Teoria LCAO, soluzione dell’equazione di Schrödinger
4
tramite sovrapposizione di orbitali atomici 1s. Definizione
Totale Ore
32
degli integrali di Coulomb, di risonanza e di sovrapposizione.
Teorema variazionale. Orbitali molecolari leganti ed
antileganti. Classificazione degli orbitali molecolari. Parità
degòi orbitali molecolari.
Molecole biatomiche homonucleari: legame covalente
Molecole biatomiche heteronucleari: legame ionico. Frazione
ionica e covalente di un legame
Orbitali atomici ibridi sp3, sp2, sp. Combinazione lineare di
orbitali atomici ibridi: applicazioni alle molecole di H2O,
NH3, CH4, etilene, acetilene.
Sistemi delocalizzati, molecole coniugate quali etilene,
butadiene, esatriene e polietilene trattate tramite LCAO
nell’approssimazione di Huckel. Definizione di orbitali
HOMO e LUMO. Relative autofunzioni ed autovalori.
Definizione di numero d’onda di un elettrone che si muove in
un orbitale molecolare delocalizzato: confronto con la
particella nella scatola. Spettroscopia elettronica di molecole
coniugate, regole di selezione. Molecole aromatiche:
passaggio dal benzene alla graffite.
Solidi Monodimensionali. Il filare di sodio metallico: teoria
LCAO applicata ad orbitali atomici s. Relazioni di
periodicità: teorema di Block. Spettro degli autovalori
dell’Hamiltoniano: relazione energia-quantità di moto e
definizione di banda. Definizione di massa efficace di un
elettrone in una banda e teoria quantistica della
conducibilità elettrica. Teoria LCAO applicata ad orbitali
atomici p: il poliacetilene. Solidi bidimensionali del tipo III-V
e II-VI.
Solidi bi e tri dimensionali. Definizione di zona di Brilloin,
Punti, Γ, X, M. Applicazioni: grafite, GaAs, InP, diamante,
silicio, germanio, metalli, alogenuri ed ossidi.
4
4
4
8
4
8
Totale 40
6. Materiale didattico
I testi base consigliati per il corso sono:
Dispense del docente, complete di tutti gli argomenti trattati nel corso
E’ consigliato l’utilizzo del seguente materiale per approfondimenti e integrazioni:
• M. Alonso and E. J. Finn, University Physics Vol III: Quantum and statistical physics, AddisonWesley, London, 1982.
• P. W. Atkins, Chimica Fisica, Zanichelli, Bologna, 2000.
Infine sono di seguito indicati siti internet di interesse:
http://vergil.chemistry.gatech.edu/notes/quantrev/node26.html
http://chemistry.umeche.maine.edu/Modeling/lcao.html
http://www.seas.upenn.edu/~chem101/mo.pdf
http://artsci-ccwin.concordia.ca/facstaff/a-c/bird/c241/D4.html
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html
7. Modalità di verifica/esame
L'esame si svolge , di norma, come segue :(dettagliare il più possibile:scritto,orale,prove in itinere,criteri di
valutazione ecc.): prova orale di circa 45-60 minuti, nella quale lo studente deve di avere una comprensione
globale della materia.