Physics - Fisica

MICHELE ORTOLANI
MICHELE ORTOLANI

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.

E’ indispensabile conoscere le basi del laboratorio di ottica acquisite nel triennio della laurea di primo livello.
E’ importante avere conoscenze di base dell'elettromagnetismo fornite dal corso di circuiti al secondo anno della laurea di primo livello.
E’ utile avere solide conoscenze di struttura della materia (spettro di eccitazione delle molecole).

1) Interazione Radiazione-Materia
- costante dielettrica, assorbimento, modello di Lorentz
- teoria della risposta lineare, spettro delle eccitazioni
- relazioni di Kramers-Kronig
- teorema di fluttuazione-dissipazione.

2) Tecniche di imaging per la biofisica:
- Microscopia ottica, limite di diffrazione e super-risoluzione
- Microscopia in fluorescenza
- Microscopia elettronica (SEM)
- Microscopia a forza atomica (AFM)
- Microscopia in campo vicino (SNOM)

3) Tecniche strutturali per la biofisica:
- Diffrazione a raggi X (cristallografia di proteine)
- Spettroscopia vibrazionale (IR and Raman)
- Microscopia elettronica in trasmissione criogenica (Cryo-TEM)
- principi della risonanza magnetica (NMR) di proteine

4) Tecniche diagnostiche e funzionali basate su principi fisici avanzati:
- amplificazione genica (PCR)
- immunofluorescenza
- sensori a plasmone di superficie (SPR)

F. Wooten, "Optical Properties of Solids"
siti web e tutorials presentati durante le lezioni

Born-Wolf, "Principles of Optics"

La modalità di svolgimento del corso prevede lezioni frontali alla lavagna e proiezione di diapositive

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria ma è fortemente consigliata.

La valutazione si basa su una prova orale di circa mezzora, che prevede un colloquio sui temi illustrati nel corso. Per superare l'esame orale lo studente deve essere in grado di presentare un argomento, fare una dimostrazione, ripetere un calcolo discusso durante il corso e di applicare i metodi appresi ad esempi e situazioni simili a quelle già discusse, anche utilizzando le diapositive proiettate durante il corso. Nella valutazione si terrà conto di:
- correttezza dei concetti esposti;
- chiarezza e rigore espositivo;
- conoscenza tecnica dei principi della strumentazione avanzata.