FONDAMENTI DI FISICA MODERNA

L’obiettivo del corso è dare una panoramica della fisica moderna fondata nei primi anni del secolo scorso: la teoria della relatività ristretta che ha mostrato come la spiegazione delle evidenze sperimentali allora già disponibili abbia richiesto la revisione dei concetti di spazio e tempo; la meccanica statistica che ha dato impulso alla moderna visione atomistica della materia; la meccanica quantistica che ne ha rivelato il dualismo onda-corpuscolo. Queste costruzioni, infine, hanno reso possibile la comprensione della fisica dei nuclei atomici. Le teorie fisiche saranno presentate in termini di struttura logica, matematica e di evidenze sperimentali.

Al termine del corso, lo studente avrà acquisito capacità di ragionamento induttivo e deduttivo, sarà in grado di affrontare criticamente gli argomenti studiati. Lo studente applicherà il metodo scientifico allo studio di fenomeni naturali e sarà in grado di valutare criticamente analogie e differenze tra sistemi fisici e le metodologie da utilizzare. Egli sarà, inoltre, in grado di esporre con proprietà di linguaggio gli argomenti di fisica moderna oggetto del corso. Oltre all'interesse specifico nella comprensione della fisica moderna, gli argomenti trattati sono particolarmente importanti per la preparazione dei concorsi di insegnamento della matematica e fisica.

In particolare, e con riferimento ai cosiddetti Descrittori di Dublino, il corso si propone di fornire le seguenti conoscenze e capacità.

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding abilities)

Conoscenza dei principali aspetti fenomenologici e teorici relativi alla teoria della relatività ristretta, della meccanica statistica, della meccanica quantistica, con elementi di fisica nucleare; comprensione delle loro implicazioni fisiche e della loro descrizione matematica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding abilities)

Capacità di riconoscere le principali leggi alla base della fisica moderna, e di applicarle per risolvere problemi ed esercizi a diversi livelli di complessità e quindi di approssimazione, con l'uso di strumenti matematici appropriati.

Autonomia di giudizio (ability of making judgements)

Capacità di stimare e calcolare l'ordine di grandezza delle variabili che descrivono un fenomeno quantistico o relativistico. Capacità di discernere il livello di importanza di una legge fisica (assioma, principio di conservazione, legge universale, teorema, legge in forma globale/integrale o locale/differenziale e sua generalità, proprietà dei materiali, ecc.). Capacità di saper valutare il Modello Fisico ed il corrispondente Modello Matematico che meglio si applicano alla descrizione di un processo fisico e quindi alla soluzione di problemi quantitativi.

Abilità comunicative (communication skills)

Capacità di esporre concetti scientifici propri della Fisica ma anche, e più in generale, informazioni, idee, problemi e soluzioni con proprietà e inambiguità di linguaggio, a diversi livelli e a diversi interlocutori, sia specialisti e che non specialisti.

Capacità di apprendimento (learning skills)

Capacità di apprendimento dei concetti scientifici propri della Fisica, necessari per intraprendere studi successivi con un alto grado di autonomia.

L'attività didattica consiste di lezioni frontali in aula.

N.B.: nel caso in cui la situazione contingente relativa alla pandemia da COVID-19 lo richiedesse, le lezioni potranno svolgersi anche per via telematica sulla piattaforma Microsoft Teams (si veda in proposito la guida per gli studenti predisposta dall'Ateneo).

Meccanica, termodinamica, ed elettromagnetismo (Fisica generale 1 e 2); matematica di base (Analisi matematica 1 e 2, Algebra lineare); cenni di analisi funzionale.

Fortemente consigliata

Se concordato con gli studenti e/o in presenza di studenti stranieri, frequentanti nell’ambito di accordi Erasmus o di accordi quadro internazionali, il corso può essere tenuto in lingua inglese.

Fondamenti di teoria della relatività speciale ed elementi di relatività generale

Esperienza di Michelson-Morley. Definizione operativa delle misure di spazio e di tempo – Intervallo spazio-temporale – Ordine temporale e separazione spaziale degli eventi - Tempo proprio - Punti di vista di Poincaré e di Einstein - Postulati della teoria della relatività speciale - Trasformazioni di Lorentz – Proprietà algebrico-geometriche delle trasformazioni di Lorentz - Trasformazioni della velocità e dell’accelerazione – Accelerazione propria – Trasformazioni della quantità di moto, dell’energia e della forza - Paradosso dei gemelli - Aberrazione ed effetto Doppler - Elementi di teoria della relatività generale: Principio di equivalenza, deflessione della luce in un campo gravitazionale, red shift gravitazionale, buchi neri.

Introduzione alla meccanica statistica.

Ipotesi atomistica della materia. Moto browniano. Entropia. Entropia ed informazione. Irreversibilità in meccanica statistica. Entropia, disordine e freccia del tempo. Significato di pressione e temperatura in meccanica statistica.Teorema di equipartizione dell’energia. Equilibrio termodinamico.

Introduzione alla meccanica quantistica

La radiazione del corpo nero e l'ipotesi di Planck - Effetto fotoelettrico - Effetto Compton - Modelli atomici di Thomson, Rutherford e Bohr - Relazione di de Broglie - Diffrazione degli elettroni - Principio di indeterminazione di Heisenberg – Concetto di funzione d’onda e interpretazione probabilistica. Equazione di Schrödinger – Teorema di Ehrenfest - Particella in una buca di potenziale – Effetto tunnel – Oscillatore armonico quantistico – Atomo di idrogeno.

Introduzione alla struttura della materia.

Particella in un potenziale periodico. Struttura a bande dei solidi. Metalli e isolanti. Semiconduttori. Superconduttori. Interazione luce-materia. Introduzione alla fisica dei laser.

Elementi di fisica nucleare.

Modelli di nucleo atomico – Densità della materia nucleare – Forze nucleari, difetto di massa ed energia di legame per nucleone - Fissione e fusione nucleare – Nuclei instabili: attività α, β e γ. Legge di decadimento radioattivo – Catene di decadimento

- Introduction to the structure of matter: a course in modern physics, J. J. Brehm, W. J. Mullin, Wiley, 1989

- Introduzione alla relatività ristretta, R. Resnick, CEA, 1979

- Elementi di struttura della materia, S. Franchetti, A. Ranfagni, D. Mugnai, Zanichelli, 1986

La verifica dell'apprendimento è affidata ad un esame finale orale. Esso tende ad accertare il livello di conoscenza conmplessivo del candidato, la sua capacità di affrontare criticamente gli argomenti studiati e di mettere in correlazione le varie parti del programma. Alla formulazione del voto finale concorreranno sia la padronanza dimostrata nella trattazione degli argomenti oggetto dell'esame e nell'uso della terminologia tecnico-scientifica appropriata, curando sia gli aspetti matematici che fisici degli argomenti svolti.

L'esame verte su tutto il programma effettivamente svolto a lezione.