Materia condensata

  • Bellur S. Chandraseckhar - Perchè il vetro è trasparente. Il mondo intorno a noi spiegato a tutti. - (2001)
  • Roberto Fieschi - Stati e trasformazioni della materia - (1993)
  • Giorgio Careri - Ordine e disordine nella materia - (1982)
  • Alan Holden - The nature of solids - (1992)
  • Ho-Kim Quang, Narendra Kumar, Harry Chi-Sing Lam - Invitation To Contemporary Physics - 2° ed. (2004)
  • Adrian P. Sutton - Concepts of Materials Science - (2021)

Nella collana “Very Short Introduction” della Oxford University Press:

  • Ross H. McKenzie - Condensed Matter Physics - (2023)
  • Tom McLeish - Soft Matter - (2020)
  • A.M. Glazer - Crystallography - (2016)
  • Stephen J. Blundell - Magnetism - (2012)
  • Stephen J. Blundell - Superconductivity - (2009)

di cui è stato tradotto in italiano solo:

  • Stephen J. Blundell - Superconduttività - (2012)

Per il rapporto tra scienza, politica, finanza e società negli Stati Uniti del dopoguerra è indispensabile:

  • Joseph D. Martin - Solid State Insurrection: How the Science of Substance Made American Physics Matter - (2019)

Un posto a parte merita:

  • David J. Goodstein - States of Matter - nuova ed. (2014)

Bellur Sivariamiah Chandraseckhar - Why the things are the way are.

trad.it. Perchè il vetro è trasparente. Il mondo intorno a noi spiegato a tutti. - (2001)

Tanti libri divulgativi si concentrano sulle applicazioni nella fisica atomica e subatomica, oppure sulla storia e la filosofia della meccanica quantistica. Ma l’aspetto più importante della rivoluzione della meccanica quantistica sono le applicazioni alla chimica ed alla struttura della materia, alla fisica degli stati condensati: solidi, liquidi, gel e polimeri, semiconduttori, superconduttori, laser. Questo raro e bellissimo esempio di divulgazione di un fisico dello stato solido è una esposizione non tecnica ma che non semplifica troppo, e non banalizza la materia. Una risposta migliore a cosa è ed a cosa serve la meccanica quantistica rispetto a quello di fisici delle particelle come Kenneth W. Ford (Il mondo dei quanti. La fisica quantistica per tutti) oppure Leon Lederman e Chris Hill (Fisica quantistica per poeti).

“Perché il vetro è trasparente” mostra come, attraverso le leggi fisiche e in particolare attraverso i princìpi della meccanica quantistica, sia possibile capire perché gli oggetti che ci circondano nella vita di tutti i giorni si comportano in un certo modo o mostrano determinate caratteristiche. L’autore spiega che le proprietà delle varie materie dipendono dalla struttura degli atomi che le compongono. E’ possibile capire così perché il metallo conduce calore meglio della plastica, perché certe sostanze, se sottoposte a una data pressione, si piegano mentre altre si spezzano, perché certi materiali possiedono un colore specifico, come il rubino, mentre altri, come il vetro sono più o meno trasparenti.

Tra gli argomenti:
Cristalli. Particelle ed onde. L’atomo. La fisica statistica. Il cristallo quantistico. Fili di rame e barre di vetro. Cucchiai d’argento e cucchiai di plastica. Lastre di vetro e fogli di alluminio. Lampadine elettriche e cavi isolati. Magneti. Superconduttori.


Roberto Fieschi - Stati e trasformazioni della materia - (1993)

Il mondo inanimato si presenta ai nostri occhi con grande ricchezza di forme e di proprietà. Fin dalle origini del pensiero filosofico e scientifico l’uomo si è posto il problema di interpretarne la molteplicità, riconducendo la varietà dei fenomeni osservati ad alcuni principi fondamentali. Da oltre due millenni, dunque, si è avviata la ricerca dei ‘mattoni’ che costituiscono il mondo fisico così come esso ci appare e delle leggi fondamentali per il cui tramite essi interagiscono, in modo da poter interpretare l’architettura della materia nei suoi tre stati di aggregazione e le sue trasformazioni dall’uno all’altro. Qui si tenta di dare una visione complessiva dei fenomeni più significativi relativi all’immenso settore della fisica che va sotto il titolo generale di struttura della materia, e di inquadrare le proprietà macroscopiche entro gli schemi della fisica contemporanea. Dedicato non solo ai tecnici, ma anche agli studenti di liceo e, come lettura preliminare a corsi specifici, agli studenti universitari, questo libro è articolato in due parti: nella prima si esaminano le proprietà fisiche macroscopiche, prescindendo in genere dalla descrizione a scala atomica; nella seconda si delineano le strutture portanti dell’architettura della materia, riportando all’unità la molteplicità dei fenomeni.


Indice:

  • Premessa
    1. Gli stati di aggregazione della materia
    • 1.1. Introduzione
    • 1.2. Gli stati di aggregazione
    • 1.3. I cambiamenti di stato
    1. Cenni di termodinamica
    • 2.1. Generalità
    • 2.2. Temperatura e zeresimo principio
    • 2.3. Quantità di calore
    • 2.4. Il primo principio
    • 2.5. Il secondo e terzo principio
    • 2.6. Equazioni di stato
    • 2.7. Sistemi ideali
    1. Proprietà macroscopiche
    • 3.1. Il gas ideale L’equazione di stato / Energia interna / Altre caratteristiche del gas ideale
    • 3.2. I gas reali Equazioni di stato / Energia interna. L’effetto Joule-Kelvin (o Joule-Thomson)
    • 3.3. I liquidi Caratteristiche generali / La tensione di vapore saturo / La temperatura critica / L’acqua
    • 3.4. Le soluzioni liquide
    • 3.5. L’elio liquido. Superfluidità
    • 3.6. I solidi Cenni sullo sviluppo storico
    • 3.7. Proprietà fisiche dei solidi Proprietà meccaniche / Proprietà ottiche / Proprietà termiche / Proprietà elettriche / Proprietà magnetiche / Superconduttività / Ferroelettricità
    • 3.8. I solidi amorfi
    • 3.9. I cristalli liquidi
    • 3.10. Il plasma
    1. La struttura microscopica della materia
    • 4.1. Introduzione I mattoni / Le leggi
    • 4.2. L’architettura Alcuni modelli / Si costruisce su basi solide
    • 4.3. I solidi ideali Proprietà elettroniche. Teoria delle bande / Gli isolanti / I semiconduttori / I metalli / Proprietà ferromagnetiche / Dinamica reticolare. Modello unidimensionale
    • 4.4. I solidi reali. Le imperfezioni reticolari I posti vacanti / Altre imperfezioni puntiformi / Imperfezioni lineari. Le dislocazioni
    1. Transizioni di fase
    • 5.1. Generalità
    • 5.2. Transizioni di primo ordine
    • 5.3. I fenomeni critici
  • Schede Bibliografia
  • Indice analitico

Giorgio Careri - Ordine e disordine nella materia - (1982)

tre lezioni sugli aspetti interdisciplinari : (Roma, 26, 28 e 30 novembre 1979)


Stephen J. Blundell - Superconduttività - (2012)

La superconduttività, particolare stato di certi materiali in cui la corrente elettrica fluisce senza resistenza, è una delle grandi rivelazioni, misteriosa e affascinante, della fisica del ventesimo secolo. In questo volume Stephen Blundell spiega come gli studi sulla superconduttività abbiano influenzato altri settori della scienza, dalla ricerca dell’ormai “mitico” bosone di Higgs alle indagini sull’universo primordiale. L’autore esamina inoltre i numerosi e strani fenomeni osservati nei materiali superconduttori, gli ultimi sviluppi della ricerca scientifica e il suo potenziale di rivoluzionare la fisica e la tecnologia del futuro. Le applicazioni della superconduttività, infatti, sono le più disparate e curiose: dalla tecnologia per la risonanza magnetica ai treni giapponesi a levitazione magnetica, fino allo skateboard volante del secondo episodio di Ritorno al futuro.

La superconduttività è molto più di un fenomeno fisico. Potrebbe essere uno degli elementi fondamentali di una nuova tecnologia, e in definitiva di un nuovo sguardo sulla realtà.
“Astronomy”

Sebbene il nome dato da Onnes abbia preceduto Superman di più di un decennio, lo spirito era più o meno lo stesso: proprio come l’eroe dei fumetti poteva sconfiggere la gravità in un modo in cui nessun uomo avrebbe potuto fare, il superconduttore poteva sconfiggere le leggi dell’elettricità come nessun altro materiale conosciuto fino ad allora era riuscito a fare.
Stephen Blundell


Ross H. McKenzie - Condensed Matter Physics - (2023)

Esistono molti altri stati della materia oltre a solido, liquido e gassoso. Alcuni esempi includono cristalli liquidi, magneti, vetro e superconduttori. Nuovi stati vengono scoperti continuamente e inaspettatamente. Alcuni stati, come il superconduttore, possono comportarsi come il gatto di Schrödinger e mostrare le stranezze normalmente associate alla teoria quantistica di atomi, fotoni ed elettroni. La fisica della materia condensata cerca di comprendere come gli stati della materia e le loro distinte proprietà fisiche emergano dagli atomi di cui un materiale è composto.

Un sistema di molte parti interagenti può avere proprietà che le parti non hanno. L’acqua è bagnata, ma una singola molecola d’acqua non lo è. Il tuo cervello è cosciente, ma un singolo neurone non lo è. Questi fenomeni emergenti sono centrali nella fisica della materia condensata e si verificano anche in molti campi, dalla biologia all’informatica alla sociologia, dando vita a ricche connessioni intellettuali. Quando le differenze quantitative diventano differenze qualitative? Modelli semplici possono descrivere un comportamento ricco e complesso? Qual è la relazione tra il particolare e l’universale? Qual è il rapporto tra l’astratto e il concreto? La fisica della materia condensata si occupa di queste grandi domande.

I materiali dei chip di silicio, dei display a cristalli liquidi e delle memorie magnetiche dei computer possono aver trasformato la società, ma la loro comprensione ha trasformato il nostro modo di pensare ai sistemi complessi.


Ross H. McKenzie è professore emerito di fisica presso l’Università del Queensland, Brisbane, Australia. La sua ricerca in fisica della materia condensata si concentra sull’utilizzo della teoria quantistica per comprendere materiali complessi, dai superconduttori organici alle proteine fluorescenti. Ha tenuto conferenze su questo argomento a scuole e al pubblico, oltre a gestire un blog, Condensed Concepts, che è stato pubblicato in un numero di Physics World.


Alan Holden - The nature of solids - (1992)

“Questo eccellente libro di un autore illustre presenta un resoconto non matematico delle attuali teorie della fisica dello stato solido… Lo stile di scrittura lucido di Holden si adatta perfettamente alle esigenze del suo pubblico; gli studenti troveranno la lettura un piacere.” — Choice Insolitamente chiaro e accessibile, questo volume, molto apprezzato, offre un’introduzione non tecnica e non matematica ai fondamenti della fisica dello stato solido. Può essere letto da qualsiasi studente con una formazione in fisica o chimica alle superiori e sarà utile a scienziati e ingegneri come introduzione al campo della teoria dello stato solido. La prima metà del libro sviluppa i concetti di base della fisica atomica moderna. Include discussioni illuminanti su calore, capacità termica, ordine, simmetria, atomi e ioni, molecole, metalli e strutture. La seconda parte applica poi i concetti chiariti alle proprietà strutturali ed elettriche dei materiali solidi. Questo include la trattazione dei moti atomici, delle particelle e delle onde, degli elettroni negli atomi, degli elettroni nei solidi, della conduzione elettrica, dei semiconduttori e dei magneti. Un’appendice intitolata “Scale di Energia” completa il libro. Il Dr. Holden, ex ricercatore presso i Bell Telephone Laboratories ed ex professore ospite al MIT, non approfondisce l’interazione tra teoria ed esperimento. Piuttosto, queste pagine sono dedicate, nelle sue parole, a “spiegare le teorie – a rappresentare i modelli – che forniscono il mezzo migliore oggi conosciuto per unificare la nostra conoscenza dei solidi e collegarla a un campo più ampio della scienza”. I lettori scopriranno che questo studio lucido e ben scritto raggiunge il suo scopo, combinando elementi di fisica, chimica e cristallografia per produrre un quadro completo e interconnesso della teoria dello stato solido e del suo ruolo nel più ampio ambito della scienza moderna.


Adrian P. Sutton - Concepts of Materials Science - (2021)

Tutte le tecnologie dipendono dalla disponibilità di materiali idonei. Il progresso della civiltà è spesso misurato dai materiali utilizzati dall’uomo, dall’età della pietra all’età del silicio. Gli ingegneri sfruttano le relazioni tra struttura, proprietà e metodi di produzione di un materiale per ottimizzarne la progettazione e la produzione per applicazioni specifiche. Gli scienziati cercano di comprendere e prevedere tali relazioni.

Questo breve libro espone i concetti fondamentali che sono alla base della scienza dei materiali e ne sottolinea la rilevanza per la chimica, la fisica e la biologia tradizionali. Tra questi, la stabilità termodinamica dei materiali in vari ambienti, il comportamento quantistico che governa tutta la materia e la materia attiva. Altri includono i difetti come agenti di cambiamento nei materiali cristallini, i materiali su scala nanometrica, l’emergere di nuove scienze a scale di lunghezza crescenti nei materiali e i materiali artificiali le cui proprietà sono determinate dalla loro struttura piuttosto che dalla loro composizione chimica.

Il libro offre una visione unica dell’essenza della scienza dei materiali a un livello adatto a studenti pre-universitari e studenti universitari di scienza dei materiali. Sarà adatto anche a laureati in altre discipline che intendono intraprendere studi post-laurea in scienza dei materiali. Anche gli scienziati dei materiali professionisti lo troveranno stimolante e occasionalmente provocatorio.

Autore:
Adrian P. Sutton FRS, Professore Emerito, Facoltà di Scienze Naturali, Dipartimento di Fisica, Imperial College di Londra

Formatosi presso le Università di Oxford e Pennsylvania, Adrian Sutton ha studiato i materiali per 48 anni, pubblicando 230 articoli e cinque libri. All’Università di Oxford ha insegnato in tutti i corsi di laurea triennale. La sua ricerca riguarda la teoria e la simulazione dei materiali (TSM) ed è membro fondatore del Thomas Young Centre, il Centro londinese per la TSM. Nel 2009 ha fondato il rinomato Centro di Formazione Dottorale sulla TSM presso l’Imperial College. Nel 2012 gli è stata conferita la Medaglia del Rettore per l’eccezionale innovazione nell’insegnamento all’Imperial College e nel 2018 è diventato Professore Emerito presso il Dipartimento di Fisica dell’Imperial College. È membro della Royal Society.


Joseph D. Martin - Solid State Insurrection: How the Science of Substance Made American Physics Matter - (2019)

La fisica dello stato solido, lo studio delle proprietà fisiche della materia solida, fu il sottocampo più fiorente della fisica americana della Guerra Fredda. Nonostante i prolifici contributi alla tecnologia di consumo e medica, come il transistor e la risonanza magnetica, ottenne meno prestigio professionale e attenzione pubblica rispetto alla fisica nucleare e delle particelle.

Solid State Insurrection sostiene che la fisica dello stato solido fu essenziale per garantire l’ampio capitale sociale, politico e finanziario di cui la fisica della Guerra Fredda godette nel XX secolo. La vocazione tecnologica dello stato solido e la sua sfida all’ideale di “scienza pura” caro a molti fisici, aiutarono la fisica nel suo complesso a rispondere più prontamente alle pressioni sociali, politiche ed economiche della Guerra Fredda. La sua ricerca mantenne la fisica rilevante dal punto di vista economico e tecnologico, sostenendone la posizione culturale e l’influenza politica molto tempo dopo che lo splendore del Progetto Manhattan si era esaurito. Con questo libro, Joseph D. Martin offre una nuova prospettiva ad alcune delle domande più irrisolte sul ruolo della fisica nella storia americana.

Cos’è la fisica dello stato solido? Questa domanda apparentemente semplice ha alcune risposte altrettanto semplici: la fisica dello stato solido è lo studio delle proprietà fisiche della materia solida; è un sottocampo della fisica, il più popoloso negli Stati Uniti per gran parte della seconda metà del XX secolo; è la branca della fisica della materia condensata che studia i solidi con strutture cristalline regolari. Queste risposte sono vere nei rispettivi domini, ma omettono una serie di dettagli complessi. La ricerca sulle proprietà dei solidi ha una lunga storia, ma solo a metà del XX secolo la ricerca fisica sui solidi è diventata il fulcro di una nuova disciplina. Sì, i fisici che hanno fondato la fisica dello stato solido e l’hanno integrata nel segmento più ampio della comunità fisica americana si sono interessati principalmente a comprendere il comportamento dei solidi regolari, ma questo getta solo una pallida luce su quei fattori che rendono il campo degno di attenzione storica. La fisica dello stato solido è degna di nota non tanto per ciò che è, quanto per ciò che è. Quando si formò negli anni ‘40, la fisica dello stato solido sfidava presupposti ideologici profondamente radicati – in particolare l’ideale di scienza pura – a cui la comunità dei fisici americani teneva molto. Di conseguenza, contribuì a ridefinire la portata della fisica stessa in un modo che ne avrebbe plasmato il ruolo nell’America della Guerra Fredda.

Solid State Insurrection, pubblicato dalla University of Pittsburgh Press (2018), racconta la storia di come la fisica dello stato solido abbia sfidato e ridefinito alcuni degli ideali fondamentali della fisica americana, e nel processo abbia svolto un ruolo essenziale nel sostenere il prestigio di cui la fisica godeva nella società americana della Guerra Fredda.


  • David J. Goodstein - States of Matter - nuova ed. (2014)

Questa panoramica unica, curata da un eminente fisico del CalTech, offre un trattamento moderno, rigoroso e integrato dei principi e delle tecniche fisiche chiave relativi a gas, liquidi, solidi e alle loro transizioni di fase. Nessun altro volume offre una copertura così completa dell’argomento e la trattazione enfatizza costantemente le aree in cui i risultati della ricerca sono probabilmente applicabili ad altri disciplinari. A partire da un capitolo sulla termodinamica e la meccanica statistica, il testo procede con discussioni approfondite su gas perfetti, elettroni nei metalli, condensazione di Bose, struttura dei fluidi, energia potenziale, teoria molecolare dei campi di Weiss, equazione di van der Waals e altri aspetti pertinenti delle transizioni di fase. Molti utili problemi illustrativi sono presenti alla fine di ogni capitolo e bibliografie commentate offrono ulteriori indicazioni.

David L. Goodstein è Professore di Fisica e Fisica Applicata presso il California Institute of Technology, dove nel 1995 è stato nominato Frank J. Gilloon Distinguished Teaching and Service Professor. Tra gli altri suoi libri ricordiamo La lezione perduta di Feynman e Sui fatti e le frodi: racconti ammonitori dalle prime linee della scienza.