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量子力学入門

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令和２年度以降入学者 量子力学入門
教員名 十代健
単位数    2 学年 2～4 開講区分 文理学部
科目群 物理学科
学期 後期 履修区分 必修
授業形態 対面授業
授業の形態 基本的に対面で授業を実施する。１～２回の講義がオンデマンドに変更になる可能性はあるが、その場合は、LMSなどを経由して事前に告知する。
Canvas LMSコースID・コース名称 R020251E8　2024量子力学入門（十代健・後・金3）
授業概要 20世紀初め原子核や電子の存在が明らかになるにつれて、古典物理学では説明できない物理現象が多々発見された。量子力学はこうしたミクロの世界の自然法則として多くの科学者によってつくられた。本授業では、古典力学の復習から入り、古典物理学では説明できない実験の紹介、そして、ミクロなスケールでの物理法則としてシュレディンガー方程式に至るまでを解説する。
授業のねらい・到達目標 3年次の「量子力学１，２」「量子力学演習１，２」の準備として量子力学の基本方程式を導出する。
・古典力学と量子力学の違いを説明できる。
・シュレーディンガー方程式を説明できる、また簡単な系に適用できる。
・不確定性関係について説明できる。
・物事を科学的根拠に基づいて批判的、論理的に考察し、既存の知識にとらわれることなく、物事の本質を捉えることができる。既存の知識にとらわれることなく、物事を論理的に・批的に考え、説明することができる（A-3-2）。
この科目は文理学部（学士（理学））のDP3及びCP3に対応しています。
授業の形式 講義
授業の方法 パワーポイントを用いて講義を行う。また、演習問題としてのGoogleFormによるクイズを行い理解度を測り、レポート課題により理解を深める。パワーポイントの資料はCanvas LMSからダウンロードできるようにし、レポート提出もCanvas LMS経由とする。GoogleFormによる解答については次の回の授業の際に解説する。
対面で受講できない学生には個別に対応するので、相談すること。
授業計画
1 粒子と波(A-3)
【事前学習】古典力学を復習しておく （2時間）
【事後学習】レポート）粒子と波の分類 （2時間）
【授業形態】オンデマンド型授業
2 Newtonの運動方程式、波動方程式(A-3)
【事前学習】粒子と波の性質を考える （2時間）
【事後学習】複素数の復習をしておく （2時間）
【授業形態】対面授業
3 古典力学の破綻（黒体輻射、光電効果、コンプトン散乱）(A-3)
【事前学習】プランク定数について調べる （2時間）
【事後学習】ベクトル演算子ナブラを使う （2時間）
【授業形態】対面授業
4 水素の放電スペクトル(A-3)
【事前学習】光のエネルギ－について調べる （2時間）
【事後学習】レポート）リュードベリ定数の決定 （2時間）
【授業形態】対面授業
5 ボーアの原子モデル(A-3)
【事前学習】ド・ブロイ波長について調べておく （2時間）
【事後学習】身近なもののド・ブロイ波長を計算する （2時間）
【授業形態】対面授業
6 不確定性関係(A-3)
【事前学習】微分計算を復習しておく （2時間）
【事後学習】微分方程式の固有値を計算する （2時間）
【授業形態】対面授業
7 シュレディンガー方程式(A-3)
【事前学習】数学の確率について復習しておく （2時間）
【事後学習】シュレディンガー方程式を解いてみる （2時間）
【授業形態】対面授業
8 演算子の交換関係(A-3)
【事前学習】積分計算を復習しておく （2時間）
【事後学習】演算子の計算を練習する （2時間）
【授業形態】対面授業
9 演算子と不確定性関係(A-3)
【事前学習】演算子の交換関係を確認する （2時間）
【事後学習】波動関数の規格化の計算をする （2時間）
【授業形態】対面授業
10 井戸型ポテンシャルにおける解(A-3)
【事前学習】ボーアの原子モデルを復習しておく （2時間）
【事後学習】波動関数の直交性を評価する （2時間）
【授業形態】対面授業
11 水素原子の解（変数分離）(A-3)
【事前学習】微分方程式の解き方を復習しておく （2時間）
【事後学習】角運動量を量子論で取り扱う （2時間）
【授業形態】対面授業
12 水素原子の解（原子軌道）(A-3)
【事前学習】微分方程式の解き方を復習しておく （2時間）
【事後学習】レポート）原子軌道を可視化する （2時間）
【授業形態】対面授業
13 スピンとフェルミ粒子としての電子(A-3)
【事前学習】フェルミ粒子とボース粒子を調べておく （2時間）
【事後学習】ブラケット表記に慣れる （2時間）
【授業形態】対面授業
14 調和振動子の解(A-3)
【事前学習】時間に依存しないシュレディンガー方程式を復習しておく （2時間）
【事後学習】振動の波動関数を求める （2時間）
【授業形態】対面授業
15 まとめ（および、理解不足の内容を復習する）(A-3)
【事前学習】講義を通して不明な点や疑問点をまとめておく （2時間）
【事後学習】３年の「量子力学１・２」に備える （2時間）
【授業形態】対面授業
その他
教科書 使用しない
参考書 榛葉豊 『シュレディンガー方程式入門』 化学同人 2016年
真船文隆 『量子化学　基礎からのアプローチ』 化学同人 2008年
成績評価の方法及び基準 レポート(40%)、授業参画度(60%)
レポートは、３回（粒子と波、水素の放電スペクトル、水素原子の波動関数）の予定である。
授業参画度は、ほぼ毎回のリアクションペーパーもしくは小テストで評価する。
オフィスアワー 授業内容に関する質問は授業後あるいは学科事務室で受け付けます。その後、時間を調整して、物理学科図書室または本館1階ラーニングコモンズなどで応対します。

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