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Fisica classica e quantistica al computer
Giovanni B. Bachelet Università La Sapienza
Liceo Avogadro Roma, 17 dicembre 2013
Programma Avogadro zia Francesca Fisica classica e quantistica Funzionale Densità (1965, Nobel 1998) Pseudopotenziali che funzionano (1979) Car & Parrinello: atomi in moto (1985) Dinamica molecolare, Karplus (Nobel 2013)
Amedeo Avogadro 1776-1856 Avogadro pone la base di
tutti gli sviluppi della fisica e della chimica del ventesimo
secolo: affermando che in uguali volumi di gas è contenuto (a parità di
temperatura e pressione) lo stesso numero di molecole,
crea il ponte fra il mondo macroscopico (quello che
vediamo e tocchiamo noi) e mondo microscopico (atomi
e molecole), miliardi e miliardi di volte piú piccolo di
quello che vediamo e tocchiamo noi.
La zia Francesca ha per molti anni insegnato Matematica e Fisica qui
al Liceo Avogadro, era una alpinista (la foto si
riferisce alla sua scalata del Cervino nel 1951) e
mi ha trasmesso l’amore per la
montagna e la voglia di fare Fisica anch’io,
come lei
Due scoperte cruciali (~110 e ~60 anni fa)
1947 Bardeen Brattain Shockley (Nobel 1956)
Fisica classica e fisica quantistica
Il problema a due corpi Il problema a molti corpi e il computer Orbite dei pianeti e “orbitali” degli elettroni Atomi come palline o elettroni+nuclei? palline classiche (alta temperatura) palline quantistiche (bassa temperatura) elettroni+nuclei: inevitabile per la stragrande
maggioranza degli atomi e dei materiali
Una pallina in una tazzina (elettrone-nucleo)
Tante palline in una tazzina (atomo)
Molecola H2 da due atomi d’idrogeno
Metalli alcalini Alcalino-
terrosi Alogeni
Gas nobili
Metalli nobili
Proprietà periodiche degli elementi Mendeleev 1871
Silicio solido piano cristallino [110]
Sodio atomico (sinistra) Sodio molecolare (destra)
Sodio solido piano cristallino [111]
Vari tipi di legame
Teoria del Funzionale Densità: Walter Kohn, Nobel 1998 (qui con la moglie e Sara Pavoncello alla Sinagoga, agosto 2013)
Teoria del Funzionale Densità: Walter Kohn, Nobel 1998 (qui con me al ristorante Sora Lella, agosto 2013)
Pseudopotenziali eliminare efficacemente gli elettroni interni
definendo “pseudo-atomi” che hanno solo elettroni di valenza
FULL CORE PSEUDO
(Phillips & Kleinman 1959)
Perché pseudo e non full? Pseudopotenziali empirici (60’s) Pseudopotenziali modello (70’s) Pseudopotenziali nonlocali
a norma conservata (80’s) Boom e raffinamenti (90’s)
Bibliografia essenziale: GBB, Hamann, Schlüter PRB 26, 4199 (1982) Vanderbilt PRL 41, 7892 (1990) Troullier & Martins PRB 43, 1993 (1991)
Forze interatomiche: “dinamica molecolare”
Car & Parrinello 1985: possibilità di simulare la dinamica microscopica degli atomi nei solidi e nelle molecole raccordandola “da primi principi” con le proprietà fisiche, chimiche e termodinamiche, fino alla scala delle proteine…
Dinamica molecolare multiscala
Dinamica molecolare multiscala: Leonardo Guidoni
(mio laureato, oggi professore associato di Chimica)
Dinamica molecolare multiscala: Martin Karplus (Nobel 2013)