INTERAZIONE RADIAZIONE-MATERIA

L’insegnamento costituisce una delle attività formative fondamentali del Corso di Laurea in Ingegneria Fisica. Esso è finalizzato innanzitutto a consentire alla studentessa e allo studente di completare la conoscenza e la comprensione dei principali fenomeni fisici relativi alla propagazione delle onde nella materia, con particolare riferimento agli aspetti necessari a inquadrare correttamente l’interazione tra onde elettromagnetiche e materia condensata.
Tale prospettiva permette successivamente di integrare le conoscenze di fisica della materia con competenze teoriche e applicative utili allo studio delle proprietà dei materiali e delle tecniche impiegate per la loro caratterizzazione, nei casi in cui l’interazione con la radiazione o la sua propagazione rivestano un ruolo centrale.

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

1. Conoscenza e comprensione
1.1. Conoscere e comprendere le principali teorie alla base della propagazione della radiazione elettromagnetica nella materia e della sua interazione con essa, sia dal punto di vista ondulatorio sia da quello corpuscolare.
1.2. Conoscere e comprendere gli ambiti di applicazione dei diversi approcci descrittivi riconducibili a teorie semiclassiche, come nel caso della descrizione dell’origine dell’indice di rifrazione, e a teorie quantistiche, come nel caso della struttura a bande.

2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione
2.1. Saper utilizzare le leggi e i concetti appresi per l’impostazione di esperimenti finalizzati alla 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 coerenza logica e l’affidabilità dello studio.
3.2. Saper integrare lo studio basato sulla propagazione delle onde con le informazioni ricavabili da approcci differenti o riferibili ad altri ambiti teorici.
3.3. Saper collocare il potenziale applicativo dello studio dei materiali considerati all’interno di una prospettiva generale di sostenibilità integrata.

4. Abilità comunicative
4.1. Saper comunicare le conoscenze apprese e i risultati della loro applicazione utilizzando un linguaggio scientifico appropriato.
4.2. Saper interagire con il docente e con i compagni in modo costruttivo, in particolare durante le attività sperimentali svolte in gruppo.

5. Capacità di apprendimento
5.1. Saper prendere appunti in modo completo e rigoroso, anche attraverso il confronto e l’interazione con i compagni.
5.2. Saper selezionare efficacemente le fonti di riferimento per lo studio, anche attraverso l’interazione con il docente, soprattutto per le parti del programma non facilmente riconducibili a un singolo libro di testo.

Aver raggiunto gli obiettivi formativi previsti dagli insegnamenti fondamentali di Matematica e Fisica del primo e del secondo anno del Corso di Laurea.

Il corso affronta i principali aspetti classici e quantistici dell’interazione radiazione-materia, con particolare attenzione alla propagazione delle onde nella materia, ai fenomeni di interferenza e diffrazione, all’interazione tra onde elettromagnetiche e materiali, e alle principali tecniche spettroscopiche e di indagine della materia. In particolare, il programma comprende:

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.

Per il ripasso e il consolidamento delle basi di meccanica ondulatoria, può essere utilizzato, in linea generale, qualsiasi testo universitario di Fisica generale adeguato al livello del corso. Eventualmente, la scelta del testo potrà essere concordata con il docente. Si suggerisce in particolare il seguente volume:
P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Fisica, Vol. 2, Elettromagnetismo e Onde, Edizioni EdiSES.

La parte del corso relativa all’interazione radiazione-materia e alla propagazione della radiazione nella materia fa riferimento a una bibliografia ampia e articolata, nella quale i contenuti trattati non sono sempre raccolti in un unico testo. Per questo motivo, il docente indicherà di volta in volta i riferimenti più appropriati in relazione ai singoli argomenti affrontati. Tra i testi di carattere generale consigliati si segnala:
N. W. Ashcroft, N. D. Mermin, Solid State Physics, Cengage Learning, Fort Worth, 2003.

Materiale integrativo relativo ad argomenti di più difficile reperimento sarà fornito direttamente dal docente.

La verifica dell’apprendimento prevede una prova orale obbligatoria.

La prova orale consiste in una serie di domande riguardanti l’intero programma riportato nella sezione “Contenuti”. La studentessa o lo studente dovrà dimostrare sia l’apprendimento degli argomenti svolti a lezione sia la capacità di esporli in modo formalmente corretto e rigoroso. Sarà inoltre richiesto di mostrare la capacità di sviluppare un ragionamento compiuto, utilizzando le conoscenze acquisite, di fronte a semplici problemi di interpretazione di osservazioni sperimentali o di pianificazione di un’attività sperimentale.

La prova orale ha una durata indicativa di 30–45 minuti, deve essere sostenuta nell’ambito degli appelli d’esame ufficialmente previsti, prevede un voto minimo di 18/30 e un voto massimo di 30/30.

Nel corso del semestre è inoltre prevista una prova scritta parziale, collocata indicativamente a metà corso e dedicata prevalentemente alla parte classica dell’interazione radiazione-materia. Il superamento della prova parziale consentirà di alleggerire la prova orale finale, esonerando la studentessa o lo studente dalla risoluzione di un problema alla lavagna relativo agli argomenti coperti dalla prova stessa.

orale

Il/la docente ha il dovere di vigilare affinché siano rispettate le regole di autenticità e originalità delle prove d'esame. Di conseguenza, nei casi in cui vi sia il sospetto di un comportamento irregolare, l'esame può prevedere un ulteriore approfondimento, contestuale alla prova d'esame, che potrà essere realizzato anche in modalità differente rispetto alle modalità sopra riportate.

Un esame molto buono o ottimo (27–30/30) corrisponderà a una solida e ampia padronanza dei concetti discussi durante le lezioni, accompagnata da una esposizione corretta, rigorosa e ben organizzata.

Un esame discreto o buono (22–26/30) sarà il risultato di una comprensione nel complesso adeguata degli argomenti principali, pur con una limitata capacità di stabilire collegamenti tra i diversi temi trattati o con qualche incertezza nell’esposizione e nell’applicazione dei concetti.

Un esame sufficiente (18–21/30) corrisponderà a una conoscenza essenziale dei contenuti del corso e a una comprensione minima delle singole nozioni, tale da consentire comunque una esposizione semplice ma complessivamente accettabile.

L’attribuzione della lode è riservata a prove d’esame eccellenti, nelle quali lo studente o la studentessa dimostri una padronanza completa, ampia e criticamente consapevole dei contenuti del corso, unitamente alla capacità di collegare i diversi argomenti in modo autonomo e rigoroso, di applicare le conoscenze acquisite a problemi e situazioni non standard, e di esporre i contenuti con particolare chiarezza, precisione e proprietà di linguaggio scientifico.

L’insegnamento è organizzato principalmente mediante l’utilizzo di presentazioni in PowerPoint. La maggior parte delle lezioni ha un’impostazione didattico-pedagogica, mentre alcune sono concepite come seminari scientifici di livello più avanzato. La lavagna viene utilizzata come supporto, quando necessario.

Nel corso del semestre saranno inoltre proposte attività di lavoro di gruppo ed esercizi da svolgere a casa, con l’obiettivo di stimolare l’apprendimento, favorire una partecipazione attiva e consentire a studenti e studentesse di rimanere costantemente al passo con gli argomenti affrontati a lezione. Tali attività avranno anche la funzione di rendere progressivamente più familiare la tipologia di domande e di ragionamenti richiesti in sede di esame orale finale.

Tutti i materiali presentati durante il corso, comprese le slide e le registrazioni delle lezioni, sono resi disponibili sulla piattaforma Moodle di Ateneo, insieme ad alcune dispense specifiche predisposte dal docente per l’approfondimento di particolari argomenti.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Cambiamento climatico e energia" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile