INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA

L’insegnamento è una delle attività formative fondamentali del corso di laurea in Ingegneria Fisica. E’ mirato innanzitutto a far sì che lo studente completi la conoscenza e la comprensione dei principali fenomeni fisici relativi alla propagazione di onde nella materia, necessari soprattutto a inquadrare correttamente l’interazione delle onde elettromagnetiche con la materia condensata. Questo permette successivamente allo studente/ssa di integrare la conoscenza della fisica della materia con le conoscenze teoriche e applicate, necessarie allo studio delle proprietà e delle tecniche di caratterizzazione di specifici materiali, laddove l’interazione o la propagazione della radiazione gioca un ruolo primario. Un ulteriore aspetto che viene considerato durante il corso è la sostenibilità integrata dei materiali a cui si fa di volta in volta riferimento, in modo da collocare lo studio all’interno di una generale prospettiva di sostenibilità delle applicazioni via via considerate.

Obiettivi formativi dell’insegnamento sono:
1) sviluppare la capacità di applicare allo studio dei materiali le teorie fisiche che descrivono l’interazione delle radiazioni con la materia e la sua propagazione;
2) sviluppare un corretto utilizzo di approcci diversi e complementari nella descrizione delle proprietà fisiche e chimiche della materia in relazione alla propagazione di onde;
3) sviluppare la capacità di legare concetti e teorie alla pratica sperimentale di caratterizzazione e studio dei materiali, anche in riferimento ad altri insegnamenti a carattere sperimentale.

1. Conoscenza e comprensione
1.1. Conoscere e comprendere le principali teorie alla base della propagazione e interazione della radiazione elettromagnetica con la materia, sia dal punto di vista ondulatorio sia dal punto di vista corpuscolare.
1.2. Conoscere e comprendere gli ambiti di applicazione dei diversi approcci descrittivi facenti capo a teorie semiclassiche, come ad esempio la descrizione dell’origine dell’indice di rifrazione, o quantistiche, come ad esempio la struttura a bande.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
2.1. Saper utilizzare le leggi e i concetti appresi nell’allestimento di esperimenti per la caratterizzazione dei materiali.

3. Capacità di giudizio
3.1. Saper valutare e scegliere criticamente gli approcci sperimentali più appropriati per lo studio delle proprietà dei singoli materiali, individuando l’eventuale necessità di tecniche complementari atte a garantire la consistenza logica e l’affidabilità dello studio.
3.2. Saper integrare lo studio basato sulla propagazione di onde con le informazioni ricavabili da approcci di tipo diverso, o facenti riferimento ad altri ambiti teorici.
3.3. Saper collocare la potenzialità applicativa dello studio dei materiali considerati all’interno di una prospettiva generale di sostenibilità integrata.

4. Abilità comunicative
4.1. Saper comunicare sia le conoscenze apprese sia gli effetti della loro applicazione utilizzando il linguaggio scientifico appropriato.
4.2. Saper interagire con il docente e con i compagni in modo costruttivo, in particolare durante i lavori sperimentali realizzati in gruppo.

5. Capacità di apprendimento
5.1. Saper prendere appunti in modo esauriente e rigoroso, anche attraverso l’interazione con i compagni.
5.2. Selezionare efficacemente le fonti di riferimento per lo studio, anche attraverso l’interazione con il docente, soprattutto per le parti di programma che non sono individuabili facilmente in un singolo libro di testo.

Avere raggiunto gli obiettivi formativi dei corsi fondamentali di Matematica e Fisica dei primi due anni.

INTRODUZIONE
Presentazione e inquadramento del corso nel percorso formativo.

RICHIAMI DI FISICA ONDULATORIA
Onde meccaniche: equazione di D’Alembert, onde longitudinali e trasversali, fronte d’onda, onde piane e sferiche.
Onde armoniche: ampiezza, fase, frequenza (angolare), periodo, velocità, intensità, numero e vettore d’onda. Onde sonore. Onde stazionarie su corda tesa.
Onde elettromagnetiche: equazioni di Maxwell nel vuoto e nella materia, equazione delle onde, onde piane (armoniche), pacchetti d’onda, energia, stati di polarizzazione.

PROPAGAZIONE DEI CAMPI ELETTRICI E MAGNETICI
Radiazione da dipolo elettrico oscillante: intensità, legge di Larmor. Radiazione atomica: modello classico, diffusione. Spettro elettromagnetico.

INTERFERENZA E DIFFRAZIONE
Interferenza: somma di onde, vettori rotanti, interferenza da due sorgenti (esperimento di Young), interferometro: effetti cromatici e misura di lunghezze d’onda, N sorgenti.
Diffrazione: fenomenologia; principio di Huygens-Fresnel-Kirchhoff; diffrazione di Fraunhofer: fenditura, foro, reticolo; limite di risoluzione; luce policromatica; potere dispersivo e risolutivo.
Applicazioni: spettroscopia con reticolo; spettri di emissione/assorbimento; righe di Fraunhofer; larghezza spettrale; olografia; raggi X: produzione, legge di Bragg, piani cristallini e indici di Miller, pattern di diffrazione, intensità dei picchi, parametri reticolari.

ONDE ELETTROMAGNETICHE IN MATERIALI DIELETTRICI
Anisotropia ottica: birifrangenza (onda ordinaria e straordinaria), cristalli dicroici, polarizzatori, analizzatori, lamine di ritardo, birifrangenza da campo (cella di Kerr) e da stress.
Interazione e propagazione: campo armonico (notazione complessa), oscillatore smorzato forzato, polarizzabilità, polarizzazione del dielettrico, equazione d’onda.
Assorbimento e dispersione: legge di Lambert-Beer, indice di rifrazione complesso, modello a k-oscillatori, dispersione e assorbimento in mezzi trasparenti, comportamento anomalo dell’indice, velocità di gruppo.

ONDE ELETTROMAGNETICHE IN MATERIALI CONDUTTORI
Propagazione e assorbimento: equazioni d’onda nei conduttori; approssimazioni a bassa e alta frequenza; frequenza di plasma.

TRATTAZIONE QUANTISTICA DELL’INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA
Corpo nero: definizione, densità di energia e potere emissivo, modi stazionari, legge di Rayleigh-Jeans, catastrofe ultravioletta, legge di Planck, Wien, Stefan-Boltzmann.
Effetto fotoelettrico: esperimenti (Hertz, Hallwachs, Lenard, Millikan), ipotesi di Einstein, equazione e interpretazione quantistica, intensità e numero di fotoni, spettro EM, vincoli sull’assorbimento.
Verso il laser: energia e quantità di moto dei fotoni, modello di Bohr, emissione/assorbimento, emissione stimolata (Einstein 1917), funzionamento del laser: inversione di popolazione, stati metastabili, pompaggio a 3 livelli, caratteristiche e tipologie.
Onde materiali e comportamento quantistico degli elettroni nei solidi: relazione di de Broglie, dualismo onda-particella, principi di complementarità e indeterminazione; modelli di Drude-Sommerfeld del gas di elettroni liberi e cenni del modello a bande.
Scattering: spettroscopia di emissione, assorbimento e scattering; Scattering della radiazione: Rayleigh, Mie, Raman.

TECNICHE DI INDAGINE DELLA MATERIA
Tecniche di sincrotrone: spettroscopia EXAFS, spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e scattering inelastico risonante.

Come supporto alle basi dello studio della meccanica ondulatoria, ogni testo di Fisica generale a livello universitario è in linea di massima accettabile. Eventualmente, lo studente/ssa mostrerà al docente il testo per l’approvazione. Si suggerisce comunque il testo:
P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, “Fisica”, Vol. 2 (Elettromagnetismo e Onde), Edizioni EdiSES.
La parte di interazione radiazione-materia e di propagazione nella materia è rintracciabile in una vasta bibliografia, molto spesso però senza che vi sia un singolo testo che raccoglie tutti i contenuti del corso. Verrà perciò segnalata di argomento in argomento dal docente stesso la fonte a cui riferirsi. Tra i testi generali consigliati sono:
N.W. Ashcroft, N.D. Mermin, “Solid State Physics”, Cengage Learning, Fort Worth 2003;
Materiale specifico su argomenti che risultino di più difficile reperimento sarà fornito direttamente dal docente.

Il metodo previsto di verifica dell’apprendimento si articola in una prova orale dal superamento obbligatorio.
La prova orale consiste innanzitutto in una serie di domande riguardanti tutto il programma riportato nella sezione “Contenuti”: lo studente/ssa deve dimostrare sia l’apprendimento degli argomenti svolti a lezione sia la capacità di esporli in maniera formale rigorosa. Sarà inoltre richiesto allo studente/ssa di dimostrare la capacità di sviluppare un ragionamento compiuto, utilizzando le conoscenze acquisite, se posto di fronte a un problema di interpretazione di osservazioni sperimentali o di pianificazione di un’attività sperimentale. La prova orale ha una durata di circa 30-45 minuti e deve essere sostenuta all’interno delle sessioni d’appello d’esame previste ufficialmente. Ha un minimo voto accettabile di 18/30 e un voto massimo di 30/30.

orale

Un esame completamente riuscito (27-30/30) sarà considerato tale quando verrà dimostrata una solida e ampia padronanza dei concetti discussi durante le lezioni. Un voto medio (22-26/30) sarà il risultato di una comprensione abbastanza completa di singoli temi ma con limitate interconnessioni tra gli argomenti. Un livello di sufficienza (18-21/30) corrisponderà a una conoscenza minima delle singole nozioni.

L’insegnamento è interamente organizzato mediante presentazioni in PowerPoint. La maggior parte delle lezioni ha un taglio didattico-pedagogico, mentre alcune sono concepite come seminari scientifici di livello più avanzato. La lavagna è utilizzata solo come supporto, quando necessario.
Tutti i materiali presentati durante il corso, comprese le slide e le registrazioni delle lezioni, sono disponibili sulla piattaforma Moodle di Ateneo, insieme ad alcune dispense specifiche redatte dal docente su argomenti di approfondimento.

Accessibilità, Disabilità e Inclusione
Accomodamenti e Servizi di Supporto per studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento:
Ca’ Foscari applica la Legge Italiana (Legge 17/1999; Legge 170/2010) per i servizi di supporto e di accomodamento disponibili agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento. In caso di disabilità motoria, visiva, dell’udito o altre disabilità (Legge 17/1999) o un disturbo specifico dell’apprendimento (Legge 170/2010) e si necessita di supporto (assistenza in aula, ausili tecnologici per lo svolgimento di esami o esami individualizzati, materiale in formato accessibile, recupero appunti, tutorato specialistico a supporto dello studio, interpreti o altro), si contatti l’ufficio Disabilità e DSA disabilita@unive.it.
LA STRUTTURA E I CONTENUTI DELL'INSEGNAMENTO POTRANNO SUBIRE VARIAZIONI IN CONSEGUENZA DELL'EPIDEMIA DI COVID-19.