現代物理学２
| 開設大学 | 大同大学 |
|---|---|
| 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。 |
