Obiettivi formativi

Aim of this course is to introduce the basic concepts of the Special Theory of Relativity and of Quantum Mechanics and their application to Atomic and Nuclear Physics, to enable students to project and develop teaching activities on these subjects at high-school.

A part of the course will also be devoted to cover basic and advanced concepts of Thermodynamics.

Students should have knowledge of the status of Physics at the end of the 19th century, namely Newton’s laws of motion and theory of universal gravitation, laws of electricity and magnetism as described by Maxwell equations, theory and properties of electromagnetic waves.

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Scopo del corso e' introdurre i concetti fondamentali della Teoria della Relativita' Ristretta e della Meccanica Quantistica e loro applicazioni alla Fisica Atomica e Nucleare, finalizzati alla progettazione e allo sviluppo di attività di insegnamento su questi argomenti nella scuola secondaria. Una parte del corso e' dedicata a coprire argomenti di base e avanzati della Termodinamica.


Agli studenti del corso si richiedono le conoscenze di base della Fisica Classica riguardanti le leggi di Newton e della gravitazione universale, le leggi dell'elettromagnetismo e le equazioni di Maxwell, la teoria e le proprieta' delle onde elettromagnetiche.

Programma

THERMODYNAMICS

- the Zeroth law: thermal and thermodynamic equilibrium; thermodynamic processes; empirical temperature; temperature scales
- the First law: work, heat,internal energy
- the Second law: Kelvin-Planck and Clausius statements; equivalence of Kelvin-Planck and Clausius statements; Carnot’s theorem; Carnot cycle; absolute thermodynamic temperature; Clausius theorem; entropy and energy degradation
- the Second law: microscopic approach; basic concepts of statistical mechanics; negative absolute temperatures; violation of the Kelvin-Planck statement
- the Second law: order and disorder
- the Third law
- the ideal gas: ideal gas law; ideal gas processes: isobaric, isochoric, isothermal and adiabatic processes; Carnot cycle for the ideal gas


QUANTUM PHYSICS

- blackbody radiation and the Planck hypothesis, the photoelectric effect, the Compton effect, particle-like nature of electromagnetic waves, atomic spectra of gases, Bohr’s model of Hydrogen atom, the Stern-Gerlach experiment, intrinsic angular momentum and spin, the exclusion principle and the periodic table, wave-like nature of particles, the De Broglie hypothesis, the Davisson-Germer experiment
- introduction to atomic and nuclear physics
- wave-particle duality, uncertainty principle, wave mechanics
- states, physical quantities, measurements, state superposition principle, sequential Stern-Gerlach experiments
- formal requirements, Hilbert space, observables and self adjoint operators
- postulates of quantum mechanics
- representation of operators and states, the Dirac formalism
- quantum-mechanical angular momentum and spin formalism
- composite quantum systems, factorizable and non-factorizable systems, entanglement, completeness and non-locality, the EPR paradox, the Bell’s inequality, the Aspect experiment


THE SPECIAL THEORY OF RELATIVITY

- postulates of Galilean relativity; Galilean velocity transformation equations
- experimental results on the constancy of light speed
- non-Galilean invariance of Maxwell equations
- the Michelson-Morley experiment
- postulate of the special theory of relativity
- Lorentz space-time transformations
- time dilation, simultaniety and causality, length contraction, space-time paradoxes
- relativistic dynamics: linear momentum, kinetic energy, mass-energy equivalence
- space-time quadrivectors

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TERMODINAMICA

- principio zero: equilibrio termico e termodinamico; trasformazioni termodinamiche; temperatura empirica
- primo principio: lavoro, calore, energia interna
- secondo principio: enunciato di Kelvin e di Clausius; equivalenza; teorema di Carnot; ciclo di Carnot; temperatura termodinamica assoluta; teorema di Clausius; entropia; e degrado dell’energia
- secondo principio: il punto di vista microscopico; cenni di termodinamica statistica; temperature assolute negative; violazione dell’enunciato di Kelvin
- secondo principio: ordine e disordine
- terzo principio
- gas ideale: trasformazioni isobare, isocore, isoterme, adiabatiche; ciclo di Carnot del gas ideale


MECCANICA QUANTISTICA

- spettro di corpo nero, la costante di Planck, l’effetto fotoelettrico, natura corpuscolare della luce, gli spettri di emissione e assorbimento atomici, l’atomo di Bohr, momento magnetico e momento angolare intrinseco, tavola periodica, natura ondulatoria delle particelle, ipotesi di De Broglie
- cenni di fisica atomica e nucleare
- dualismo onda-corpuscolo, principio di indeterminazione, meccanica ondulatoria
- stati, grandezze fisiche, misure, principio di sovrapposizione, esperimenti di Stern-Gerlach in sequenza
- le richieste sul formalismo, spazi di Hilbert, osservabili e operatori autoaggiunti
- i postulati della meccanica quantistica
- rappresentazione degli stati e degli operatori, il formalismo di Dirac
- algebra del momento angolare, lo spin
- sistemi composti, stati fattorizzabili e non, stati entangled, completezza e non-localita’, paradosso EPR, disuguaglianza di Bell, esperimento di Aspect


TEORIA DELLA RELATIVITA’

- postulati della relativita’ galileiana, addizione delle velocita’
- dati sperimentali sulla velocita’ della luce
- non invarianza delle equazioni di Maxwell per trasformazioni di Galilei
- esperimento di Michelson-Morley
- postulati della relativita’ ristretta
- trasformazioni di Lorentz, addizione delle velocita’
- dilatazione dei tempi, simultaneita’ e causalita’, contrazione delle lunghezze, paradossi spazio-temporali
- dinamica relativistica: quantita’ di moto, energia cinetica, equivalenza massa-energia
- spazio-tempo e quadrivettori

Modalità d'esame

L'esame e' scritto su tutti gli argomenti trattati nel corso.