Decio Pietro COCOLICCHIO | FISICA MODERNA

Italiano

Il corso e? concepito per gli studenti di tutti i corsi di laurea e presuppone la propedeuticita? degli insegnamenti di Fisica generale.

Il corso si occupa dei principali aspetti della Fisica moderna, in particolare, si propone di approfondire gli sviluppi delle teorie relativistiche e quantistiche con numerose applicazioni sia di interesse generale sia legate a temi di ricerca attuali.

CONTENUTI DEL CORSO

Elettrodinamica classica

Radiazione emessa da una particella carica in moto con velocita? costante (luce Cerenkov), accelerazione radiale e tangenziale costante (dipolo oscillante e luce di sincrotone) ed accelerazione qualunque (radiazione di frenamento o bremsstrahlung). Formulazione relativisticamente covariante delle equazioni di Maxwell. Moto di una particella relativistica in un campo esterno. Il modello classico dell’elettrone. Gli effetti dello spin: rapporto giromagnetico, precessione di Thomas, equazioni del moto di Bargmann Michel Telegdi. Interazioni tra cariche in movimento. La propagazione della radiazione in un mezzo assorbente. Relazioni di dispersione di Kramers Kronig. Onde elettromagnetiche stazionarie in una cavita?. Stati coerenti come stati "quasi-classici" del campo di radiazione.

I fondamenti fisici delle Teorie Quantistiche

Sviluppi della fisica moderna: la genesi della fisica quantistica. Aspetti corpuscolari della radiazione. Lo spettro della radiazione termica di "corpo nero" e gli effetti non classici nelle proprieta? statistiche della radiazione elettromagnetica. Leggi di universalita? di Kirchhoff, legge di Stefan-Boltzman, leggi di Wien e di Rayleigh-Jeans. Ipotesi e legge di Planck. L'effetto fotoelettrico e l'ipotesi del fotone di Einstein. La diffrazione di Bragg dei raggi X e l'effetto Compton. La regolarita? degli spettri atomici. Le serie spettrali di Balmer-Lyman-Pashen. L'esperienza di Franck-Hertz. Modelli atomici di Thomson e di Bohr. Le correzioni relativistiche di Sommerfeld. Lo scattering di Rutherford. Natura ondulatoria dell'elettrone: l'ipotesi di de Broglie. Il principio di indeterminazione. La diffrazione degli elettroni su reticoli cristallini. Le esperienze di Thomson e di Davisson-Germer. Il quanto d'azione: dualita? onda- corpuscolo.

Formulazione canonica della Meccanica Quantistica

L'equazione di Schro?dinger. Risoluzione con programmi di simulazione al computer. Interpretazione probabilistica di Born. Funzioni d'onda, osservabili e processo di misura. Osservabili. La quantizzazone come problema degli autovalori per operatori nello spazio di Hilbert. Espansione in autofunzioni. Parentesi di commutazione, costanti del moto e proprieta? di simmetria. Osservabili non compatibili e regole di indeterminazione di Heisenberg. Teorema di Ehrenfest e principio di corrispondenza fra la meccanica classica e la meccanica quantistica. L'approssimazione semiclassica WKB, correzioni quantistiche e sviluppi perturbativi. Proprieta? generali degli stati stazionari dell'operatore Hamiltoniano. Autovalori ed autofunzioni dell'operatore impulso e del momento angolare.

Teoria semiclassica dell'interazione radiazione-materia

Teoria semiclassica dell'emissione e dell'assorbimento. Regole di selezione nell'approssimazione di dipolo. L'equazione di Schro?dinger per una particella carica in un campo elettromagnetico. L'ipotesi dello spin. L'equazione di Pauli. Quantizzazione dei momenti magnetici. L'invarianza di gauge e la conservazione della carica elettrica. Aspetti topologici: l'effetto Aharonov-Bohm. L'esperienza di Stern e Gerlach. L'effetto magnetico debole Zeeman normale ed anomalo e quello forte di Paschen-Back. L'effetto Stark elettrico. L'interpretazione semiclassica del Lamb "shift".

Fisica atomica

Il sistema a due corpi: stati legati e processi d'urto. Problemi a simmetria centrale: stati legati per il potenziale Coulombiano. L'atomo di idrogeno. La spettroscopia atomica. Regole di selezione. Accoppiamenti spin-orbita. Struttura (iper)fine dei livelli atomici. Atomi con molti elettroni: il modello di Thomas-Fermi. Composizione dei momenti angolari. Il principio di esclusione di Pauli. Principi di "aufbau" e sistema periodico degli elementi. La struttura della materia. Legami tra atomi. Orbitali molecolari. Effetti rotazionali e vibrazionali. I solidi. La teoria quantistica delle bande di conduzione nei metalli. Il modello di Kronig-Penney.

Fisica nucleare

Le proprieta? dei nuclei. Interazioni tra nucleoni. Il deuterio e la teoria del potenziale nucleare. Il modello di Yukawa. Il modello a strati del nucleo. Reazioni nucleari. La teoria di Gamow-Teller per i decadimenti radioattivi alfa. Teoria di Fermi del decadimento beta. Fissione e fusione.

Fisica subnucleare

Particelle sempre piu? elementari. I leptoni e le interazioni deboli. Gli adroni, i quark e le interazioni forti. Leggi di invarianza di isospin e di numero barionico. Classificazione delle particelle fondamentali. Il Modello Standard.

Astrofisica e cosmologia

Reazioni nucleari nelle stelle. La teoria del Big Bang. Spettro della radiazione cosmica e composizione della materia (inter)stellare. Oggetti celesti ed evoluzione stellare. Astronomia dei neutrini. Il lato oscuro dell'Universo. Elementi di geometrodinamica: fondamenti della teoria della relativita? generale di Einstein. Il problema della costante cosmologica. Buchi neri e altre singolarità cosmiche. Produzione, propagazione e rivelazione delle onde gravitazionali. La termodinamica dei buchi neri: l'effetto Hawking-Unruh.

Le lezioni sono integrate da un laboratorio di esperimenti virtuali (eseguiti mediante programmi in MatLab, MATHEMATICA, PYTHON, CERN-ROOT, ed applet JAVA) per consentire ulteriormente l’approfondimento degli argomenti presentati durante le lezioni. Il corso si propone di sperimentare le opportunita? didattiche offerte da MOODLE e si avvale delle potenzialità della piattaforma educational di GOOGLE Classroom, Meet, Drive, ...

L'esame consiste in un colloquio sugli argomenti sviluppati nelle lezioni e nella discussione di una relazione di approfondimento assegnata allo studente.

TESTI DI RIFERIMENTO E DI APPROFONDIMENTO, MATERIALE DIDATTICO ON-LINE

Sebbene il corso sia in gran parte basato sulle dispense del docente, i seguenti manuali sono un valido complemento:
- Paul A. M. Dirac, I principi della meccanica quantistica (Boringhieri, 1929-1958)
- E. Merzbacher, Quantum Mechanics (3rd ed, Wiley, 1997)

- D. J. Griffiths, Introduction to Quantum Mechanics (2nd Edition , 2004)
D. J. Griffiths, Introduzione alla meccanica quantistica (versione italiana) (CEA, 2006)

- M. Alonso, E. Finn, Physics – Revised edition (Addison-Wesley, 1992)
- R. Eisberg, R. Resnick, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, Particles (Wiley, 1985 2Ed )

- J. J. Sakurai, Advanced Quantum Mechanics, (Addison-Wesley)
J. J. Sakurai, Meccanica Quantistica moderna (Zanichelli, 1990)

- R. Shankar, Principle of Quantum Mechanics, Plenum Press, New York, 1994

- E. Onofri, C. Destri, Istituzioni di Fisica Teorica (Carocci Ed., Roma, 19982Ed)
- P. Caldirola, R. Cirelli, G. M. Prosperi, Introduzione alla fisica teorica, UTET, Torino 1982.

- S. Forte, L. Rottoli, Fisica Quantistica (Zanichelli, 2019)

- G. Nardulli, Meccanica Quantistica I, Principi (Milano, 2001)
- G. Nardulli, Meccanica Quantistica II, Applicazioni (Milano, 2001)
- L. Angelini, Meccanica Quantistica: problemi scelti (Springer-Verlag Italia, Milano, 2008)
- F. Selleri, A. Garuccio, Dispense di Istituzioni di fisica teorica, Dip. Fisica – Univ. di Bari, a.a. 1980/81

- A. Di Giacomo, G. Paffuti, P. Rossi, Problemi di fisica teorica (ETS, Pisa,1992)
- E. d'Emilio, L. E. Picasso, Problemi di meccanica quantistica (ETS, Pisa)

- C. Becchi , Dispense dei corsi di Fisica moderna del Corso di laurea in Fisica Genova
- S. Boffi , Corso di Fisica Moderna , Quaderni di Fisica Teorica Univ. Pavia

- K. Konishi, G. Paffuti, Quantum Mechanics: A New Introduction (Oxford University Press, 2009)
K. Konishi, G. Paffuti, Meccanica Quantistica: nuova introduzione (Ed. Plus-Pisa Univ. Press, 2005)

- A. Bettini, Introduction to elementary particles, (Cambridge University Press, 2008)
- D. H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, (Cambridge University Press, 2000, 4ed )

- L. Maiani (a cura di), La Fisica delle Particelle Elementari, Quaderni di “Le Scienze” n. 103 (Sett. 1998)

- M. Gasperini, Relativita? Generale e Teoria della Gravitazione (2nd edition Springer, 2015)

Le date di esame previste nel 2023 potrebbero subire variazioni. Occorre consultare il docente in occasione della prenotazione per l'esame.

Marzo 29 //      Giugno  21 //       Luglio  19 //       Settembre  27 //        Ottobre  25  //           Dicembre 13.

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