シラバス詳細

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科目コード
学年
開講期間
開始時限
修了時限
大学
科目名
単位数
曜日
募集時期

現代物理学2

開設大学 大同大学
科目コード 292605
担当教員 斉田 浩見(教養部准教授)
学年配当 2年
単位数 2
曜日 木曜日
開講期間 後期
開講時間割1 5時限 16:20 ~ 17:50
募集定員 10
募集時期 9月
開講期間
講義概要 原子サイズ以下の極微な物理を正確に記述する、量子力学の基礎的な講義です。
19世紀までの物理学を支えた理論はニュートン力学です(大同大学では力学1,2,3でその一部を扱っています)。しかし 、19世紀の終わりから20世紀初頭にかけて、ニュートン力学は厳密には正しくないことが、様々な実験によって明らかにされました。20世紀以降の科学技術で達成可能な精密な実験結果を説明し、自然現象の詳細を理解するために、人類は新たな理論を作らなければならなくなったのです。
20世紀以降に確立された物理学(いわゆる現代物理学)は、大きく分けて2つの理論によって支えられています。「相対性理論 」と「量子力学」です。現代物理学で得られている成果(電子顕微鏡、超伝導半導体、発光ダイオード、レーザービーム、人工衛星を使った精密なカーナビ、星の輝きの原因の説明、ビックバン宇宙論、核兵器などなど)は、この2つの理論が正しいと信じた上で導かれたものです。
現代物理2の授業では「量子力学」を取り上げます。自然現象を理解する上での考え方としては、相対論よりも量子力学のほうが、人間の直感を遥かに超越した「モノの見方」を要求しています。例えば「粒子の運動(位置と速度)を100パーセント正確に予測することは原理的に不可能である(不確定性原理)」というモノの見方です。その帰結として「様々な種類の原子が崩壊せずに安定して存在できる」ことが初めて理解できるのです(ボーアの原子モデル)。この授業では、量子力学がもつ思想(量子論的な自然観)の必要性と内容と説明した上で、ボーアの原子モデルとその応用を理解することを目指します。
また、不確定性原理の別の帰結として「完全に密閉した箱の中に閉じ込めた電子(などの粒子)が壁をすり抜けて外に現れたり、逆に箱の外の電子が壁をすり抜けて中に入ってしまう」という現象が理解できます。この「壁のすり抜け(トンネル効果 )」は、原子核反応や発光ダイオードの基礎となる現象です。これを理解するためには、複素関数の微積分をマスターする必要がありますが、その数学は可能な限り簡単化して、トンネル効果を説明(紹介)することを試みます。そして、原子核反応を大雑把に説明した上で、太陽のような星の輝きの原因(星がどうやって生まれ、そして死ぬか)などの説明も試みます。なお、講義担当の斉田は、相対性理論とそれを応用した宇宙物理学が専門の研究者です。講義最後の星の話は、宇宙物理学研究者の教養の一旦をみせることになります。授業中でも、授業以外でも、物理学に関する質問や疑問を投げかけて下さい。現役第一線で研究をしている者として答ます。


1. 準備:ニュートン力学の自然観のまとめ ― 粒子と波動 ―
2. 量子力学への導入1:量子の概念 ― 物質波(粒子性と波動性の共存)―
3. 量子力学への導入2:コンプトン散乱 ― 光の粒子性 ―
4. 量子力学への導入3:光電効果 ― 光の粒子性 ―
5. 量子力学への導入4:電子の干渉実験 ― 電子の波動性 ―
6. 量子力学への導入5:ボーアの原子モデルと輝線スペクトル ― 電子の波動性 ―
7. 量子力学の数学:確率、複素関数、ベクトル空間
8. 量子力学の原理1:波動関数と不確定性原理 ― 物質波の確率解釈 ―
9. 量子力学の原理2:波動関数の重ね合わせの原理 ― 基礎方程式を探す手がかり ―
10. 量子力学の基礎方程式:シュレーディンガー方程式 ― 波動関数の運動方程式 ―
11. 量子力学での測定:物理量とその測定による期待値 ― シュレーディンガーの猫 ―
12. 量子力学の練習問題:箱の中の粒子 ― 無限に高い壁と有限な高さの壁 ―
13. 量子力学の帰結1:トンネル効果 ― 電子顕微鏡 ―
14. 量子力学の帰結2:原子核反応、半減期 ― 物理学の負の産物、核兵器 ―
15. 量子力学の帰結3:星の輝きの原因 ― 星の誕生から死まで ―
テキスト・参考文献 プリント配布
参考書:「物理学の基礎」山本邦夫 著、学術図書出版
「工学系のための量子力学」上羽弘 著、森北出版
「量子力学の基本原理」デヴィッド Z.アルバート 著(高橋真理子 訳)、日本評論社
「量子力学1」ランダウ、リフシッツ 著(佐々木健、好村滋洋 訳)、東京図書出版
試験・評価方法 自由科目(卒業に必要な単位に無関係な科目)なので、興味を持って参加すればOKです。
別途必要な経費
その他特記事項
科目名(英語) Modern Physics 2

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