Scienze Chimiche

SERGIO BRUTTI

1) Conoscenza e capacità di comprensione
L’obiettivo del corso è l’acquisizione delle conoscenze di base di chimica fisica nell’ambito della struttura atomica e molecolare che sono propedeutiche alla comprensione delle caratteristiche dei sistemi chimici complessi e delle tecniche di indagine spettroscopiche. Le conoscenze che verranno acquisite durante il corso sono la meccanica quantistica di base e la sua applicazione in chimica.
2) Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Tramite l’insegnamento delle basi della meccanica quantistica applicata ai sistemi molecolari, il corso fornisce agli studenti gli strumenti concettuali per capire come, a partire dalla conoscenza del comportamento dei costituenti basilari della materia (nuclei ed elettroni), emerga il linguaggio della chimica moderna enunciato in termini di atomi, legami chimici, molecole, aggregati e sostanze.
3) Autonomia di Giudizio
Sono previste varie sessioni di esercizi svolti in classe per lo sviluppo delle capacità critiche degli studenti nei confronti delle implicazioni pratiche della teoria.
4) Abilità Comunicative
Il corso, a parte la prova di valutazione finale orale, prevede 2 prove intermedie di autovalutazione che permettono agli studenti di esprimere quanto appreso.
5) Capacità di Apprendimento
Le competenze acquisite verrano utilizzate per comprendere in che modo, dalle conoscenze di base enunciate sopra, si sviluppi il complesso linguaggio della chimica moderna e come esso, sia pure nelle sue varie declinazioni settoriali, derivi da rigorosi principi fisici.

Natura quantistica dei sistemi atomici e molecolari: modelli chimico fisici elementari e complessi.

Matematica di base: derivate, integrali ed equazioni differenziali. Fisica di base: cinematica dei corpi, equazione di Newton, concetto di energia potenziale, leggi di conservazione, momenti angolari.

Programma
1. Fenomenologia dei sistemi quantistici: Il problema del corpo nero e i modelli discreti dell’atomo, esperimento delle fenditure, lunghezza d’onda di De Broglie
2. L’equazione di Schrödinger: derivazione, il significato della funzione d’onda
3. La struttura formale della MQ: operatori ed osservabili, autovalori ed autofunzioni, degenerazione
4. Il moto lineare: particella libera, particella confinata
5. I Principi della Meccanica Quantistica: operatori hermitiani, sovrapposizione, valori medi, processi di misura, indeterminazione e incompatibilità, la dipendenza dal tempo, costanti del moto e leggi di conservazione
6. I postulati della MQ
7. La Notazione di Dirac
8. Oscillatore Armonico: stati e autovalori, la spettroscopia vibrazionale
9. Il momento angolare, particella su un anello, rotazioni in tre dimensioni, momenti angolari, la spettroscopia rotazionale
10. Il momento di spin: esperimento di Stern-Gerlach, sistemi a due particelle, antisimmetria e principio di Pauli
11. L’atomo di idrogeno, energie e orbitali, spettroscopia atomica
11. L’atomo di He e il metodo variazionale, il metodo variazionale lineare, il modello a particelle indipendenti
12. Atomi polielettronici e metodo di Hartree-Fock: aufbau, tavola periodica e simboli di termine
13. I sistemi molecolari: teoria del legame chimico: H2+ e H2 come prototipi, metodo degli orbitali molecolari: versione qualitativa
14. Approssimazione di Born-Oppenheimer
15. Cenni di Meccanica Statistica: la funzione di partizione, la statistica di Boltzmann, la funzione di partizione molecolare

Dispense del docente. Vedere sul sito di "elearning".

Peter William Atkins, Julio de Paula, James Keeler: "Chimica Fisica" (Zanichelli). Capitoli 7,8,9 e 13.

N/A

Lezioni frontali in classe

in presenza

L'esame di compone di una prova scritta ed una prova orale separate
E' ammesso a sostenere la prova orale chi supera la prova scritta con un voto >15.

Gli studenti frequentanti possono accedere volontariamente al percorso di esonero (6 prove intermedie nell'arco del semestre)
La prova di esonero è superata solo con voto >18
Prova orale facoltativa per gli studenti esonerati con voto >25
Prova orale obbligatoria per gli studenti esonerati con voto <25

es. 1
A partire dalla fattorizzazione dell'eq. agli autovalori per il rotatore rigido quantistico, si integri l'equazione in tetha e si derivi la forma generale dell'autosoluzione e la regola di quantizzazione


es. 2
Si illustri la definizione di hamiltoniana classica e la sua forma algebrica per il moto uniforme non accelerato.

es. 3
Si derivi ed integri l'equazione agli autovalori per la particella monodimensionale quantistica confinata

• Fenomenologia dei sistemi quantistici: Il problema del corpo nero e i modelli discreti dell’atomo, esperimento delle fenditure, lunghezza d’onda di De Broglie


• L’equazione di Schrödinger: derivazione, il significato della funzione d’onda


• La struttura formale della MQ: operatori ed osservabili, autovalori ed autofunzioni, degenerazione. I Principi della Meccanica Quantistica: operatori hermitiani, sovrapposizione, valori medi, processi di misura, indeterminazione e incompatibilità, la dipendenza dal tempo, costanti del moto e leggi di conservazione.I postulati della MQ


• La Notazione di Dirac


• Il moto lineare: particella libera, particella confinata


• Oscillatore armonico quantistico


• Rotatore rigido quantistico


• Atomo di idrogeno


• Atomo di elio e atomi polielettronici


• Spin


• Molecole biatomiche 


• Termodinamica statistica