Si danno per assodate competenze e conoscenze nella chimica fisica (termodinamica e cinetica) nell'analisi matematica e nella fisica di base (meccanica, ottica ed elettromagnetismo). 

Struttura atomica e molecolare. Teoria quantistica: la dualità onda-particella; l'equazione di Schroedinger; autovalori e autofunzioni; il principio di indeterminazione. Moti traslazionali, vibrazionali e rotazionali: la particella nella scatola, il tunnelling quanto-meccanico; livelli energetici, funzioni d'onda. La struttura atomica: atomi idrogenoidi; atomi a più elettroni. Struttura molecolare: le teorie del legame di valenza e dell'orbitale molecolare: lo ione H2+; molecole diatomiche omonucleari e dinucleari; orbitali molecolari per sistemi poliatomici. Spettroscopia molecolare: Interazione radiazione-materia. Spettroscopia rotazionale, vibrazionale, elettronica. Termodinamica statistica

Il corso si propone di introdurre i principi della meccanica quantistica, la teoria dei gruppi, la struttura atomica e molecolare. Verranno introdotti i concetti che consentono il calcolo della struttura elettronica e roto-vibrazionale. Infine, proprietà elettriche e magnetiche verranno analizzate e razionalizzate sulla base dei concetti precedentemente introdotti.
Al termine del corso lo studente sarà in grado di applicare i principi fondamentali della meccanica quantistica; di saper discutere la forma e le proprietà degli orbitali per l'atomo idrogenoide e per gli atomi multielettronici; di saper analizzare la natura del legame chimico in molecole biatomiche e poliatomiche; di saper interpretare le proprietà ottiche, elettriche e magnetiche di molecole.

Lezione frontale ed esercitazioni in aula.

Il conseguimento dei crediti attribuiti all’insegnamento è ottenuto mediante prova orale, con votazione finale in trentesimi ed eventuale lode.

Fondamenti della Meccanica Quantistica

• Limiti della fisica classica: effetto fotoelettrico, doppia fenditura, corpo nero
• Dualismo onda-particella, de Broglie, principio di indeterminazione

L’equazione di Schrödinger e i sistemi modello

• Schrödinger indipendente dal tempo
• Particella in una scatola (1D, 2D, 3D)
• Oscillatore armonico quantistico
• Rotatore rigido
• Atomo di idrogeno: livelli energetici e funzione d’onda

Momento angolare, spin e struttura atomica

• Operatore momento angolare e commutatori
• Spin elettronico e principio di Pauli
• Configurazioni elettroniche e periodicità
• Cenni a metodi approssimati per atomi multielettronici

Introduzione alla Meccanica Quantistica Molecolare

• Teoria del legame di valenza (VB)
• Orbitali molecolari (MO)
• Diagrammi MO per molecole biatomiche semplici (H₂, N₂, O₂, etc.)

Termodinamica Statistica

• Microstati e macrostate, probabilità e distribuzione di Boltzmann
• Funzione di partizione e significato fisico
• Connessione tra Z e funzioni termodinamiche (U, S, G, F)
• Sistemi modello:
  • Particella in una scatola → contributo traslazionale
  • Oscillatore armonico → contributo vibrazionale
  • Rotatore rigido → contributo rotazionale
• Calcolo di capacità termiche, energia interna e entropia molecolare
• Cenni alla distribuzione di Maxwell-Boltzmann

Applicazioni e spettroscopia

• Relazione tra livelli quantistici e spettri IR, rotazionale, UV-Vis
• Regole di selezione semplici
• Interazione luce-materia in chiave quantistica/statistica

Esercitazioni e problemi

• Risoluzione di Schrödinger per i modelli base
• Calcoli di funzione di partizione e proprietà termodinamiche
• Interpretazione di spettri e configurazioni elettroniche

Chimica Fisica, Mario Compiani, Carmelo La Rosa, Paola Sassi, UTET Università, 2023

Introduzione alla meccanica quantistica, David Griffiths, Darrell F. Schroeter, Seconda edizione italiana, 2023, Zanichelli

Molecular Quantum Mechanics, Peter William Atkins, Roland S Friedman, Zanichelli, 2005

Termodinamica, termodinamica statistica e cinetica - Chimica fisica, Thomas Engel, Philip Reid, Piccin, 2023

Dispense e appunti di lezione