facoltà di
INGEGNERIA
salita Sperone 31 98166 S. Agata - Messina
web: http://ww2.unime.it/ingegneria
CORSO di LAUREA in
INGEGNERIA DEI MATERIALI

Presidente : Prof. Antonino Valenza


STRUTTURA della MATERIA

PROGRAMMA

DIARIO di ESAMI

ORARIO delle LEZIONI

PRENOTAZIONI ESAMI


PROGRAMMA di:
STRUTTURA della MATERIA

Corso di Laurea in: INGEGNERIA dei MATERIALI
A. A. 1996-1997
Docente: Prof. Raffaello Girlanda

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Elettroni, fotoni ed atomi. La natura atomica della materia. L'elettrone. Radiazione di corpo nero. L'effetto fotoelettrico. Raggi X ed effetto Compton. Atomo e suo nucleo. Spettri atomici e modello di Bohr dell'atomo di idrogeno. Esperimento di Stern-Gerlach: momento angolare e spin. L'ipotesi di De Broglie e la genesi della meccanica ondulatoria.

Elementi di meccanica quantistica. Onde e particelle, pacchetti d'onda e principio di indeterminazione. L'equazione di Schr÷dinger. Stati ed autostati, operatori ed osservabili. Autovalori ed autofunzioni degli operatori. Relazione tra parentesi di commutazione e principio di indeterminazione. Interpretazione di Born delle funzioni d' onda. Valore medio di una grandezza fisica in meccanica quantistica. Operatori Aggiunto ed operatore Hermitiano. Evoluzione temporale del valore medio di una grandezza fisica. Legge del moto di Newton e legge del moto quantistica. Equazione di Schr÷dinger indipendente dal tempo: equazione per gli stati stazionari. Significato fisico delle autofunzioni e degli autovalori di un operatore associato ad una osservabile. Esempi di descrizione quantistica di problemi ad una dimensione: la particella libera, il potenziale a gradino, la barriera di potenziale e l'effetto tunnel, la buca di potenziale rettangolare infinita, la buca di potenziale rettangolare di profonditÓ finita, l'oscillatore armonico. Forze centrali e l' atomo di idrogeno. Il momento angolare. Particelle identiche, fermioni e bosoni. Principio di esclusione di Pauli. Sistemi a molte particelle. Metodi approssimati di soluzione dell'equazione di Schr÷dinger.

Atomi ad un elettrone. Livelli di energia. Autofunzioni degli stati legati Valori di aspettazione.

< Cenni di meccanica statistica. La funzione di distribuzione e la densitÓ degli stati. La distribuzione di Maxwell-Boltzmann. La statistica di Fermi-Dirac. La distribuzione di Bose.

Interazione di atomi ad un solo elettrone con la radiazione elettromagnetica. Campo elettromagnetico ed interazione con particelle cariche. ProbabilitÓ di transizione per unitÓ di tempo. Approssimazione di dipolo. Assorbimento, emissione. regole di selezione e spettro di atomi ad un elettrone.

Atomi a molti elettroni. Approssimazione di campo centrale. Il sistema periodico degli elementi.

Lo stato solido. Tipi di solidi: cristalli, policristalli, amorfi, vetri, leghe metalliche e leghe di semiconduttori, eterostrutture a semiconduttori. Definizione dei cristalli e confronto con gli altri stati di aggregazione della materia. Reticoli di Bravais e strutture cristalline. Esempi di strutture cristalline. Diffusione da cristalli e reticolo reciproco. Legge di Bragg. Metodi sperimentali: metodo di Laue, metodo del cristallo rotante, metodo delle polveri. Calcolo di Laue per l' ampiezza dell' onda diffusa: diffusione da un reticolo di atomi puntiformi, condizioni per la diffrazione. Reticolo reciproco. Normale ad un piano cristallino, distanza tra piani, metodo di Ewald, zona di Brillouin. Fattore di struttura geometrica. Fattore di forma. Esperimenti di diffrazione con varie particelle: elettroni (LEED), fasci atomici, neutroni. Legame nei cristalli: cristalli di gas inerti, interazione di van der Walls-London, interazione repulsiva, costanti reticolari all' equilibrio, energia di coesione, compressibilitÓ e modulo di compressione; cristalli ionici, energia elettrostatica o di Madelung; cristalli covalenti; cristalli metallici; cristalli con legame idrogeno. Raggi atomici: raggi covalenti tetraedrici, raggi per cristalli ionici. Vibrazioni di reticoli monoatomici, velocitÓ di gruppo, limite a grandi lunghezze d' onda; reticoli biatomici, branche ottiche e branche acustiche. Quantizzazione delle vibrazioni reticolari. Spettroscopia Raman. CapacitÓ termica: modello di Einstein, modello di Debye. Espansione termica. ConducibilitÓ termica. Tipi di solidi e loro classificazione in base alle loro proprietÓ del trasporto di corrente elettrica: metalli, isolanti e semiconduttori. Livelli elettronici nei solidi. Elettroni nei metalli: modello dell' elettrone libero. Livello di Fermi. Distribuzione di Fermi-Dirac. La conduzione elettrica nei metalli. Semiconduttori: Teorema di Bloch per un reticolo infinito e sue conseguenze. Reticolo di dimensione finita. Il modello di Kr÷nig e Penney di un cristallo infinito unidimensionale. Metalli, isolanti e semiconduttori e struttura a bande. Relazione tra energia e vettore d' onda. Massa efficace. Esempi descrittivi di struttura a bande del germanio, del silicio, dell' arseniuro di gallio. Massa efficace di buca leggera, di buca pesante e massa efficace della buca in banda separata per interazione spin-orbita. Spettroscopia di fotoemissione. Spettroscopia elettronica e Auger. Concentrazione dei portatori di carica e posizione del livello di Fermi in un semiconduttore intrinseco. Semiconduttori drogati. Cenni sulla interazione con la radiazione elettromagnetica degli elettroni in semiconduttori: eccitoni, fononi. SuperconducibilitÓ: effetto Meisner, effetto Josephson. Superconduttori ad alta temperatura. Effetto tunnel nelle giunzioni a superconduttori. Difetti. Vacanze. Diffusione e legge di Fick. Centri di colore. Leghe. Dislocazioni. Superfici e strutture artificiali. Eterostrutture a semiconduttori. Pozzi quantici e superreticoli: stati elettronici, proprietÓ ottiche ed elettroniche (cenni). Molecular Beam Epitaxy (MBE) e Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD). Fenomeni di trasporto: trasporto per diffusione, corrente di diffusione, trasporto in presenza di un campo elettrico. Teoria della giunzione a semiconduttori: giunzione in uno stesso semiconduttore drogato differentemente (giunzione p-n), giunzione metallo-semiconduttore ( barriera Schottky), giunzione tra semiconduttori differenti (GaAs-GaAlAs). La giunzione p-n non polarizzata, regione di svuotamento, dimensione della regione di svuotamento, campo elettrico e caduta di potenziale nella regione di svuotamento. La giunzione p-n polarizzata. Iniezione di cariche e flusso di corrente. Correnti minoritarie e maggioritarie. Il diodo ideale ed il diodo reale: conseguenze dei difetti. Il diodo a barriera Schottky: altezza della barriera, flusso di corrente nella barriera, corrente di emissione termoionica. Giunzioni ad eterostrutture: motivazioni per lo studio di dispositivi ad eterostrutture.

Testi consigliati:
B. H. Bransden e C. J. Joachain, Physics of Atoms and Molecules, Longman
Elettroni, fotoni ed atomi, elementi di meccanica quantistica, atomi ad un elettrone, interazione di atomi ad un solo elettrone con la radiazione elettromagnetica, atomi a molti elettroni.

H. Haken e H. C. Wolf, The Physics of Atoms and Quanta, Springer-Verlag

H. Jbach e H. LŘth, Solid State Physics, Springer-Verlag
Lo stato solido.

M. Allegrini e S. Faetti, Appunti dalle lezioni di Fisica II, Edizioni il Campano
Elementi di meccanica quantistica, lo stato solido.

Charles Kittel, Introduzione alla fisica dello stato solido, Boringhieri
Lo stato solido

J. P. McKelvey, Solid State and Semiconductor Physics, Krieger Pub. Co.
Cenni di meccanica statistica.


Prove d' esame L' esame consiste in una prova orale


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