現代物理学2
開設大学 | 大同大学 |
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科目コード | 242612 |
担当教員 | 斉田 浩見(教養部教授) |
学年配当 | 2年, 3年, 4年 |
単位数 | 2単位 |
曜日 | 木曜 |
開講期間 | 後期 |
実施形式 | 対面 |
開講時間割1 | 5限 16:20 ~ 17:50 |
教室 | 未定 |
募集定員 | 5 |
募集時期 | 9月 |
開講期間 | 9/30~1/27 |
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 | 「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。 予習や復習の指定はありません。 |