66841 - METODOLOGIE LASER E COMPUTAZIONALI

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente acquisisce: - i principi di funzionamento delle sorgenti laser e le proprietà ottiche caratteristiche della radiazione laser; conosce inoltre le caratteristiche delle principali sorgenti laser commercialmente disponibili nei diversi range spettrali, e le molteplici applicazioni che esse hanno nei campi della fotochimica, della spettroscopia molecolare, della chimica analitica e ambientale; - le metodologie teoriche e computazionali per lo studio degli stati eccitati, delle loro proprietà e dei cammini di reazione fotochimici.

Programma/Contenuti

Prerequisiti: lo studente che accede a questo insegnamento deve possedere una buona conoscenza dei fondamenti di meccanica quantistica, spettroscopia e fotochimica.

Modulo 1. Metodologie Laser (C. Degli Esposti - 6 CFU) :

Introduzione al corso: l'importanza dei laser per la ricerca scientifica in ambito chimico e per usi applicativi. Il ruolo del chimico nella creazione di nuovi sistemi in grado di funzionare come laser.

1-Principi di funzionamento dei laser.

Significato dell'acronimo LASER. I principali processi di interazione radiazione-materia: assorbimento, emissione spontanea, emissione stimolata. I processi radiativi di un sistema a 2 livelli. Equazioni cinetiche e coefficienti A e B di Einstein. Il meccanismo di funzionamento di un laser: emissione stimolata con inversione di popolazione. Le parti fondamentali di un laser: mezzo attivo, sistema di pompaggio, risonatore ottico. Condizione di soglia di un laser reale. Laser a emissione continua e a emissione pulsata. Laser a 3 e 4 livelli.

Proprieta'  della emissione laser : direzionalita' , potenza, monocromaticita' , coerenza. Fenomeni che condizionano la monocromaticita'  di un laser: larghezza delle righe spettrali e caratteristiche di trasmissione dei risonatori ottici. Emissione multimodo di un laser. Selezione del singolo modo lungitudinale.

Applicazioni che sfruttano le proprieta'  delle emissioni laser: lettura ottica, remote sensing atmosferico, chirurgia laser, lavorazione di materiali, spettroscopia VIS-UV ad alta risoluzione, spettroscopia Raman, olografia.

2-I laser commercialmente disponibili.

Laser basati su emissioni atomiche: il laser He-Ne, i laser a ioni Ar+ e Kr+, i laser a stato solido basati sullo ione Nd3+.

Laser molecolari vibronici : il laser ad azoto, i laser a ecciplessi, i laser a coloranti.

Laser molecolari rotovibrazionali : il laser a CO2, il laser chimico a HF.

Laser basati su materiali cristallini attivati con metalli di transizione: il laser a rubino, il laser titanio-zaffiro.

3-Tecniche strumentali.

L'impiego di materiali cristallini otticamente non-lineari per la moltiplicazione armonica delle frequenze fondamentali di emissione : dall'infrarosso, al visibile, all'ultravioletto.

La creazione di impulsi ultracorti : i metodi del Q-switching e del mode-locking. Applicazioni specifiche dei laser pulsati : monitoraggio atmosferico (LIDAR), spettrometria di massa di biopolimeri (MALDI-TOF), analisi elementare (LIBS), femtochemistry.

4-Esercitazioni in laboratorio.

Esperienze di tipo strumentale riguardanti i seguenti argomenti:

(a)-Caratterizzazione fotofisica di un materiale in grado di emettere come laser. (b)-Scattering di luce da un sistema bifasico disperso. (c)-Registrazione e interpretazione di uno spettro laser-Raman. (d)-Fluorescenza laser-indotta in sistemi gassosi, liquidi, solidi.

Modulo 2. Metodologie Computazionali (M. Garavelli - 5 CFU) :

Modelli teorici per lo studio di problemi di reattivita'  in Fotochimica. In particolare: (i) Il modello PMO (Perturbation Molecular Orbital), soprattutto nell'approssimazione dell'orbitale di frontiera (FMO). (ii) Il modello di Woodward-Hoffmann. (iii) Il modello basato sul mescolamento di configurazioni elettroniche nell'ambito dell'approssimazione del Legame di Valenza (CM-VB). Applicazioni ad alcune importanti classi di reazioni fotochimiche. Esame operativo degli strumenti di base della Fotochimica Computazionale: (a) Algoritmi per l'esplorazione delle superfici d'energia potenziale degli stati eccitati e per la localizzazione dei canali di reazione fotochimici. (b) Metodi quantomeccanici utilizzati per la costruzione di tali superfici (Interazione di Configurazione, MC-SCF, metodi perturbativi). Nel corso delle esercitazioni di laboratorio, tali strumenti verranno applicati a problemi concreti di reattivita'  e struttura in Fotochimica Organica, Fotobiologia, e Chimica dei Materiali.

Testi/Bibliografia

D. L. Andrews, Lasers in Chemistry, Springer, 3a edizione.

O. Svelto, Principles of Lasers, Plenum Press, 4a edizione.

Mechanism and Theory in Organic Chemistry Lowry, T. H.; Richardson K. S.

Advanced Organic Chemistry Sundberg, R. J. ;F. A. Carey

Dispense e articoli vari.

Metodi didattici

Il corso di Metodologie Laser e Computazionali è semestrale ed è suddiviso in due moduli i cui programmi vengono sviluppati in parallelo dai rispettivi docenti.

Modulo 1 (Metodologie Laser) - Si articola in tre differenti tipologie di insegnamento: lezioni frontali  svolte in aula in cui viene presentata la parte teorica del corso (4 CFU), esercizi (svolti in aula o in laboratorio con l'ausilio di calcolatori) in cui si applicano in modo quantitativo le nozioni teoriche presentate a lezione (1 CFU), e infine esercitazioni pratiche in laboratorio consistenti nella esecuzione di esperimenti di interesse chimico basati sull' impiego di laser di bassa potenza (1 CFU).

L'attività di laboratorio prevede che gli studenti, tipicamente divisi in gruppi di 3 unità, portino a termine complessivamente tre/quattro esperienze di tipo strumentale riguardanti argomenti svolti a lezione. Ogni attività sperimentale viene poi descritta, documentata e interpretata in una apposita relazione (formato testo o presentazione diapositive), da completarsi in laboratorio nei tempi previsti per le attività di esercitazioni e/o di esercizi.

Modulo 2 (Metodologie Computazionali) - Lezioni frontali  svolte in aula (3 CFU). Esercitazioni computazionali nel laboratorio informatico (2 CFU).

Modalità di verifica dell'apprendimento

Modulo 1 (Metodologie Laser) - La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una singola prova orale finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese. Tipicamente lo studente viene invitato a illustrare tre diversi argomenti sviluppati nel corso, per una durata complessiva della prova di circa 30 minuti. Viene valutato anche il lavoro svolto in laboratorio, che contribuisce per 1/6 del voto finale (da 0 a 5 punti su un massimo complessivo di 30).

Modulo 2 (Metodologie Computazionali) - La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una singola prova scritta finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese.

Il voto finale in trentesimi dell'esame di Metodologie Laser e Computazionali viene calcolato come media ponderata dei voti ottenuti per il modulo di Metodologie Laser (6 CFU) e il modulo di Metodologie Computazionali (5 CFU).

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna luminosa per lucidi e proiettore per diapositive durante le lezioni in aula. 

Strumentazione laser disponibile in Dipartimento per esercitazioni pratiche. 

Workstations, strumenti di calcolo e software aggiornato per l'esplorazione e lo studio dei meccanismi di reazione fotochimici.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudio Degli Esposti

Consulta il sito web di Marco Garavelli