Il corso intende fornire un panorama sulla moderna Biofisica molecolare. Si introdurranno in maniera qualitativa le moderne tecniche di analisi basate su metodi spettroscopici e microscopici e sull’analisi numerica applicandole ad una selezione di argomenti di interesse corrente in Biofisica, e mostrando così come le metodologie fisiche possano fornire strumenti fondamentali nella comprensione dei fenomeni biologici.
La descrizione dell'insegnamento è presente anche sul sito dell'Ateneo di Parma e della Laurea Triennale in Fisica: http://www.unipr.it/ugov/degreecourse/135128
La descrizione dell'insegnamento è presente anche sul sito dell'Ateneo di Parma e della Laurea Triennale in Fisica: http://www.unipr.it/ugov/degreecourse/135128
- Teacher: Stefania ABBRUZZETTI
Obiettivi del corso sono:
- Eseguire alcuni degli esperimenti chiave della "fisica moderna".
- Stimolare la fantasia di fronte ad una problematica sperimentale onde individuare nuove soluzioni e strategie migliorative.
-Acquisire la consapevolezza dei diversi gradi di difficoltà che comporta ideare e progettare un nuovo esperimento.
- Sviluppare una sensibilità adeguata a valutare gli ordini di grandezza delle variabili in gioco, verificare l'adeguatezza delle assunzioni e delle approssimazioni adottate, nonché affinare il senso critico per distinguere gli aspetti basilari da quelli marginali.
- Teacher: Luigi CRISTOFOLINI
Obiettivi formativi del modulo
Al di là dei contenuti specifici relativi alle tecniche sperimentali impiegate nel modulo, esso si propone da un lato di far comprendere i concetti basilari della fisica moderna nella loro manifestazione concreta, dall'altro di far maturare nello studente una sensibilità sperimentale. Quest'ultima si concretizza nel comprendere i principi di funzionamento della strumentazione scientifica; nello sviluppare un senso critico rispetto ai risultati ottenuti, riconoscendone i limiti di confidenza e imparando ad es. individuare le cause di possibili errori sistematici, o a riconoscere eventuali malfunzionamenti delle apparecchiature; nel trattare correttamente i dati sperimentali; nel tenere una buona condotta di laboratorio.
Risultati dell'apprendimento
Al termine del modulo, ci si attende che lo studente abbia appreso
L'utilizzo di strumenti di laboratorio impiego generale come multimetri, oscillloscopi e generatori di segnale.
Il concetto di miglioramento del rapporto segnale/rumore mediante l'eccitazione alternata e la rivelazione coerente quale sostituto delle misure in continua, ovvero della media statistica su più acquisizioni per le misure transienti. Si sottolinea che ciascuno degli esperimenti proposti impiega l'uno o l'altro dei metodi.
Il trattamento dei dati sperimentali con strumenti informatici adeguati all'uso scientifico (ad es., Matlab o Octave anziché Excel). Si richiede in particolare che lo studente sappia eseguire la regressione non-lineare dei dati ad una funzione modello, e talora che sappia individuare la forma funzionale migliore tra più modelli disponibili.
La presentazione dei dati sperimentali, mediante figure e/o tabelle, in forma chiara ed efficace.
Attività di supporto
Qualora si rendesse necessario, compatibilmente con la disponibilità dei Laboratori Didattici, si terranno sessioni aggiuntive di laboratorio, nonché momenti di discussione e di rielaborazione dei risultati sperimentali
Programma
Dopo un breve ciclo di lezioni frontali, in cui vengono fornite agli studenti le basi di conoscenze mancanti e sono illustrati i principi di funzionamento della strumentazione impiegata, il modulo si articola nello svolgimento di due-tre esperimenti a scelta su un totale di cinque disponibili.
Il nucleo fondamentale dell'offerta è costituito dalle risonanze magnetiche: risonanza magnetica nucleare (NMR), di cui sono disponibili due spettrometri con caratteristiche complementari, e risonanza di spin elettronico (ESR). Si sottolinea che le relative postazioni sperimentali hanno il carattere di "grandi strumenti". Altri esperimenti proposti sono lo studio della transizione superconduttiva con una misura di trasporto, lo studio della conducibilità e mobilità Hall in un semiconduttore, e lo studio dell'effetto Compton.
1. NMR (2 esperimenti). Vengono sottoposti agli studenti esperimenti di risonanza del protone in liquidi, polimeri, alimenti, volti a dimostrare i concetti base della tecnica (impulsi e risposta transiente, forma di riga, eco di spin, tempi di rilassamento T1 e T2, restringimento della riga dovuto al moto nei liquidi). Nella parte finale dell'esperienza, lo studente sarà condotto a studiare la dipendenza del rilassamento spin-reticolo dalla viscosità in miscele di glicerina e acqua, secondo quanto previsto da modelli teorici.
2. ESR. Gli esperimenti di risonanza di spin elettronico su radicali liberi (i.e. DPPH), solidi e disciolti in solvente, e su sali di manganese divalente, diluiti e concentrati, dimostrano allo studente i concetti di struttura iperfine della riga di risonanza, eventualmente mascherata dall'allargamento dipolare, e di restringimento della riga dovuto all'interazione di scambio.
3. Effetto Compton. Dopo alcune misure preliminari (determinazione della lunghezza di penetrazione del γ del 137Cs nel piombo, della larghezza angolare del fascio, della collimazione ottimale e del target con maggiore efficienza) volte ad ottimizzare il setup sperimentale, lo studente passa allo studio della dipendenza angolare del momento del raggio γ diffuso.
4. Transizione superconduttiva. Misura della resistenza in funzione della temperatura in vari campioni di cuprati superconduttori ad alta temperatura critica di diverso drogaggio, mediante diversi metodi: misura dc con multimetro a 4 fili, o eccitazione ac con rivelazione coerente in fase (amplificatore lock-in hardware e/o simulato dal software con una scheda multifunzione ADC/DAC). Scopo dell'esperimento è soprattutto mostrare allo studente i problemi connessi alla misura di resistenze molto piccole con i metodi dc (es., effetti termoelettrici) e come essi siano ovviati dalla rivelazione lock-in.
5. Effetto Hall e conducibiltà in semiconduttore. Misura della conducibilità e della mobilità Hall in funzione della temperatura in un semiconduttore drogato con il metodo di van der Pauw. Da queste due misure, determinazione del segno e della concentrazione dei portatori di carica in funzione della temperatura.
Testi consigliati e bibliografia
1. Charles Kittel, "Introduzione alla fisica dello stato solido", Casa editrice ambrosiana
2. D. Preston E. Dietz, "The art of experimental physics", John Wiley & Sons
Al di là dei contenuti specifici relativi alle tecniche sperimentali impiegate nel modulo, esso si propone da un lato di far comprendere i concetti basilari della fisica moderna nella loro manifestazione concreta, dall'altro di far maturare nello studente una sensibilità sperimentale. Quest'ultima si concretizza nel comprendere i principi di funzionamento della strumentazione scientifica; nello sviluppare un senso critico rispetto ai risultati ottenuti, riconoscendone i limiti di confidenza e imparando ad es. individuare le cause di possibili errori sistematici, o a riconoscere eventuali malfunzionamenti delle apparecchiature; nel trattare correttamente i dati sperimentali; nel tenere una buona condotta di laboratorio.
Risultati dell'apprendimento
Al termine del modulo, ci si attende che lo studente abbia appreso
L'utilizzo di strumenti di laboratorio impiego generale come multimetri, oscillloscopi e generatori di segnale.
Il concetto di miglioramento del rapporto segnale/rumore mediante l'eccitazione alternata e la rivelazione coerente quale sostituto delle misure in continua, ovvero della media statistica su più acquisizioni per le misure transienti. Si sottolinea che ciascuno degli esperimenti proposti impiega l'uno o l'altro dei metodi.
Il trattamento dei dati sperimentali con strumenti informatici adeguati all'uso scientifico (ad es., Matlab o Octave anziché Excel). Si richiede in particolare che lo studente sappia eseguire la regressione non-lineare dei dati ad una funzione modello, e talora che sappia individuare la forma funzionale migliore tra più modelli disponibili.
La presentazione dei dati sperimentali, mediante figure e/o tabelle, in forma chiara ed efficace.
Attività di supporto
Qualora si rendesse necessario, compatibilmente con la disponibilità dei Laboratori Didattici, si terranno sessioni aggiuntive di laboratorio, nonché momenti di discussione e di rielaborazione dei risultati sperimentali
Programma
Dopo un breve ciclo di lezioni frontali, in cui vengono fornite agli studenti le basi di conoscenze mancanti e sono illustrati i principi di funzionamento della strumentazione impiegata, il modulo si articola nello svolgimento di due-tre esperimenti a scelta su un totale di cinque disponibili.
Il nucleo fondamentale dell'offerta è costituito dalle risonanze magnetiche: risonanza magnetica nucleare (NMR), di cui sono disponibili due spettrometri con caratteristiche complementari, e risonanza di spin elettronico (ESR). Si sottolinea che le relative postazioni sperimentali hanno il carattere di "grandi strumenti". Altri esperimenti proposti sono lo studio della transizione superconduttiva con una misura di trasporto, lo studio della conducibilità e mobilità Hall in un semiconduttore, e lo studio dell'effetto Compton.
1. NMR (2 esperimenti). Vengono sottoposti agli studenti esperimenti di risonanza del protone in liquidi, polimeri, alimenti, volti a dimostrare i concetti base della tecnica (impulsi e risposta transiente, forma di riga, eco di spin, tempi di rilassamento T1 e T2, restringimento della riga dovuto al moto nei liquidi). Nella parte finale dell'esperienza, lo studente sarà condotto a studiare la dipendenza del rilassamento spin-reticolo dalla viscosità in miscele di glicerina e acqua, secondo quanto previsto da modelli teorici.
2. ESR. Gli esperimenti di risonanza di spin elettronico su radicali liberi (i.e. DPPH), solidi e disciolti in solvente, e su sali di manganese divalente, diluiti e concentrati, dimostrano allo studente i concetti di struttura iperfine della riga di risonanza, eventualmente mascherata dall'allargamento dipolare, e di restringimento della riga dovuto all'interazione di scambio.
3. Effetto Compton. Dopo alcune misure preliminari (determinazione della lunghezza di penetrazione del γ del 137Cs nel piombo, della larghezza angolare del fascio, della collimazione ottimale e del target con maggiore efficienza) volte ad ottimizzare il setup sperimentale, lo studente passa allo studio della dipendenza angolare del momento del raggio γ diffuso.
4. Transizione superconduttiva. Misura della resistenza in funzione della temperatura in vari campioni di cuprati superconduttori ad alta temperatura critica di diverso drogaggio, mediante diversi metodi: misura dc con multimetro a 4 fili, o eccitazione ac con rivelazione coerente in fase (amplificatore lock-in hardware e/o simulato dal software con una scheda multifunzione ADC/DAC). Scopo dell'esperimento è soprattutto mostrare allo studente i problemi connessi alla misura di resistenze molto piccole con i metodi dc (es., effetti termoelettrici) e come essi siano ovviati dalla rivelazione lock-in.
5. Effetto Hall e conducibiltà in semiconduttore. Misura della conducibilità e della mobilità Hall in funzione della temperatura in un semiconduttore drogato con il metodo di van der Pauw. Da queste due misure, determinazione del segno e della concentrazione dei portatori di carica in funzione della temperatura.
Testi consigliati e bibliografia
1. Charles Kittel, "Introduzione alla fisica dello stato solido", Casa editrice ambrosiana
2. D. Preston E. Dietz, "The art of experimental physics", John Wiley & Sons
- Teacher: Giuseppe ALLODI