Physics - Fisica

MARIA GRAZIA BETTI

OBIETTIVI GENERALI:
Gli obiettivi principali di Physics Laboratory I sono:
i) apprendimento dei principi fisici sull'interazione fra radiazione elettromagnetica o particelle e la materia, dei principi di funzionamento di sorgenti di particelle e di rivelatori;
ii) apprendimento di tecniche di laboratorio e delle loro basi teoriche, ai fini della realizzazione di un'esperienza di laboratorio nel successivo corso di Physics Laboratory II.
Al termine del corso, gli studenti svilupperanno doti di ragionamento quantitativo e abilità di comprensione delle tecniche sperimentali per lo studio dei fenomeni relativi collegati (a seconda del canale scelto) alla fisica delle particelle, alla fisica della materia condensata e della biofisica. Inoltre, gli studenti saranno capaci di:
- identificare le assunzioni alla base di un esperimento di fisica
- identificare e spiegare i limiti delle ipotesi su cui si basa una tecnica sperimentale.

L'insegnamento è erogato in tre canali corrispondenti a tre diversi indirizzi. Un canale è rivolto a studenti interessati alla fisica sperimentale delle particelle elementari. Per tale canale, al termine del corso, lo studente conoscerà i principi di funzionamento di rivelatori a gas, di rivelatori a stato solido, calorimetri elettromagnetici, tecniche di identificazione di particelle (anche basate su effetto Cherenkov), spettrometri magnetici e rivelatori di fotoni (PMT, fotodiodi e simili).
Un secondo e terzo canale sono rivolti a studenti interessati alla fisica della materia condensata e alla biofisica. Per tali canali, al termine del corso, lo studente conoscerà i fondamenti delle tecniche di diffrazione con elettroni e raggi x, di microscopia a scansione su scala atomica, di spettroscopia ottica e Raman, di spettroscopia elettronica di fotoemissione, luce di sincrotrone e assorbimento di raggi x.

OBIETTIVI SPECIFICI:
A - Conoscenza e capacità di comprensione
OF 1) Conoscere i fondamenti delle tecniche sperimentali moderne
OF 2) Comprendere gli ordini di grandezza delle quantità sperimentali rilevanti
OF 3) Conoscere il campo di utilizzo delle più comuni tecniche sperimentali moderne

B – Capacità applicative
OF 4) Saper dedurre la tecnica sperimentale e la strumentazione utile per risolvere uno specifico problema
OF 5) Risolvere problemi di dimensionamento approssimato degli apparati sperimentali rispetto alle precisioni richieste (p. es risoluzione spaziale, temporale o spettrale, energia della sonda, etc.)

C - Autonomia di giudizio
OF 6) Essere in grado di giudicare la fattibilità o meno di un esperimento i cui obiettivi siano descritti a grandi linee
OF 7) Integrare le conoscenze acquisite in una prospettiva di sviluppo tecnologico anche al di fuori della fisica (per esempio informatica, genetica, scienza dei materiali, … )


D – Abilità nella comunicazione
OF 8) Saper comunicare con un fisico sperimentale (se di indirizzo teorico) oppure sapere cosa un fisico teorico conosce degli esperimenti (se di indirizzo sperimentale)
OF 9) Avere la capacità di partecipare ad una conferenza scientifica come auditore o come presentatore facendo riferimento alle tecniche sperimentali più diffuse, anche senza averle imparate ad utilizzare

E - Capacità di apprendere
OF 10) Avere la capacità di consultare un articolo scientifico in cui siano menzionati esperimenti moderni
OF 11) Essere in grado di ideare e sviluppare un progetto di tesi di laurea che contenga una componente sperimentale, pratica o anche solo di letteratura/ stato dell’arte/ analisi dei dati.

A conclusione del corso gli studenti saranno capaci di:
- identificare le assunzioni alla base di un esperimento di fisica
- identificare e spiegare i limiti delle ipotesi su cui si basa una tecnica sperimentale
- identificare e comprendere le relazioni tra la teoria dell'interazione radiazione e materia e le principali tecniche sperimentali per misure questi effetti
- identificare le procedure opportune per l'acquisizione, analisi ed interpretazione fisica di un esperimento

• Conoscenza delle basi di struttura della materia acquisite nella laurea di primo livello.
• Conoscenze di base dell'elettromagnetismo acquisite dalla laurea di primo livello.

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1. Generalità sulla spettroscopia
Grandezze e unità di misura – Richiamo alle equazioni di Maxwell nella materia – Polarizzazione - Elementi di teoria della risposta lineare – Interazione della radiazione elettromagnetica con la materia – Grandezze spettroscopiche complesse e loro relazioni - La funzione dielettrica complessa - Polarizzazione e risposta con il modello di Lorentz, metodo semiclassico e quantistico - Riflettività e coefficiente di assorbimento – Relazioni di dispersione e causalità, relazioni di Kramers-Kronig – Teorema di fluttuazione-dissipazione
[es. Wooten, cap. 2,3,6,8; Kittel, cap. 3,4; dispense sul sito]

2. La diffrazione da cristalli
Breve introduzione ai sistemi cristallini - Reticoli di Bravais - Simmetrie - La diffrazione, la diffusione Thomson, il fattore di struttura; tecniche di diffrazione di raggi X, con fotoni, elettroni, neutroni
[es. Kittel, cap. 1,2]

3. Tecniche di visualizzazione e spettroscopia su scala nanometrica
Microscopia e spettroscopia a scansione ad effetto tunnel (STM/STS) - Microscopia a forza atomica (AFM)
[dispense sul sito; Wiesendanger, cap. 1.1, 1.11, 1.13, 2, 2.1, 2.4, 2.7]

4. Tecniche di spettroscopia anelastica
Diffusione dei neutroni anelastica - Diffusione della luce: Rayleigh e Raman - Cenno alla diffusione anelastica di raggi X
[dispense sul sito]

5. Struttura a bande di sistemi cristallini esemplari
Struttura a bande di metalli (semplici, nobili, di transizione), semiconduttori (gruppo IV, III-V), grafene e grafite, nitruro di boro [es. Bassani, cap. 4]

6. Spettroscopia ottica
Assorbimento e di riflettività - Sorgenti di radiazione elettromagnetica – Principio di funzionamento di un laser - La radiazione di sincrotrone - Analizzatori spettrali: monocromatori e interferometri - Rivelatori della radiazione e. m.
[es. Wooten cap. 5,9; Bassani, cap. 5; dispense sul sito]

7. La spettroscopia di fotoemissione e l'assorbimento di raggi X
La fotoemissione - XPS ed UPS - ARPES - Assorbimento di raggi X, tecniche XAS (NEFAXS) ed EXAFS
[dispense sul sito; Mariani-Stefano cap. del libro]

8. Elementi di tecnica del vuoto
Misura delle basse pressioni - Pompe, linee da vuoto, vacuometri [dispense sul sito]
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- F. Bassani, G. Pastori-Parravicini, “Electronic States and Optical Transitions in Solids”, capitoli 4, 5.
- C. Kittel, “Introduzione alla Fisica dello Stato Solido”, Ed. CEA, 2008, capitoli 1, 2, 3, 4.
- Carlo Mariani and Giovanni Stefani, “Photoemission Spectroscopy: Fundamental Aspects”, Chapter 9, pp. 275-317, in Synchrotron Radiation: Basics, Methods and Applications. Editors: Settimio Mobilio, Federico Boscherini, Carlo Meneghini. Springer, 2015. doi:10.1007/978-3-642-55315-8
- R. Wiesendanger, “Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy”, capitoli 1.1, 1.11, 1.13, 2, 2.1, 2.4, 2.7
- F. Wooten, "Optical Properties of Solids", Academic Press, 1972; capitoli 2, 3, 5, 6, 8, 9
- dispense del corso disponibili sul sito: https://elearning.uniroma1.it/course/view.php?id=6367

-Articoli scientifici e di rassegna sulle tecniche sperimentali.

Lezioni, descrizione degli apparati sperimentali e discussioni

Partecipazione alle spiegazioni e discussioni.

Lezioni, descrizione degli apparati sperimentali e discussioni
Lectures, description of the experimental instruments and discussions

Frequenza / Participation
Facoltativa / Optional

Partecipazione alle spiegazioni e discussioni.
Participation to the explanations and discussions.

Modalità di valutazione / Evaluation method
Prova Orale / Oral exam

Discussione sulle tecniche sperimentali mostrate durante il corso.

L'esame consiste in una prova orale nella quale agli studenti verranno poste delle domande sugli argomenti oggetto del corso. Per superare l'esame, gli studenti devono padroneggiare le diverse tecniche sperimentali presentate a lezione.

Vengono proposte alcune domande per verificare la conoscenza del programma e/o quesiti (anche con soluzione numerica) per verificare il livello di approfondimento. Nella valutazione si terrà conto di:
- correttezza dei concetti esposti;
- chiarezza e rigore espositivo;
- capacità di sviluppo analitico.

Gli studenti che rispondono in modo sufficiente alle domande ma senza sapere risolvere i quesiti proposti sono valutati con 18/30; gli studenti che sappiano rispondere in modo buono alle domande e sappiano indicare una soluzione ai quesiti, sono valutati fino a 24/30; gli studenti che sappiano rispondere in modo molto buono alle domande e sappiano descrivere precisamente la soluzione dei quesiti sono valutati fino a 27/30; gli studenti che dimostrino la piena conoscenza del programma, con soluzione esatta dei quesiti, e mostrando spirito critico saranno valutati fino a 30/30 e lode.

Descrizione di una tecnica sperimentale
Descrizione di un aricolo di rassegna su una tecnica sperimentale
Descrizione della sezione d'urto di interazione di una particella/sonda con la materia