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原子の世界

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令和２年度入学者 原子の世界
令和元年度以前入学者 物質科学のフロンティア１
教員名 川上隆輝
単位数    2 学年 1～4 開講区分 文理学部
科目群 総合教育科目
学期 後期 履修区分 選択
授業の形態 オンデマンド型の遠隔授業（動画を視聴し，その都度授業内容の簡単な正誤問題を解いてもらいながら授業を進める）
Blackboard ID: 20200253
授業概要 原子（元素）は，陽子の数で分類するとわずか118種類ある。しかし，物質は，構成する原子の種類やその配列を変えることで，様々な性質をもつようになる。物質の多様性の起源は，何から生じるのかを物理や化学を用いて解き明かす。物質の多様性を解き明かすために主役を演じるのが電子である。電子は，非常に小さいため，よく知られているマクロな物理法則（ニュートン力学）とは異なる，ミクロな世界を記述する量子論に従うことが知られている。本授業では，量子論を解説しながら，物質の多様性の利き所を理解する。
授業のねらい・到達目標 高等学校では学ぶ機会の少ないミクロな世界（原子や分子）の物理を理解し，自然科学の振る舞いのみならず，便利なスマートホンなどの高性能な機能に応用されていることを理解する。この授業では，原子や分子の結合に注目して，物質の性質を理解し，学生自ら自然科学を考察することができるようになることを目標にする。

仮説に基づく課題や問題を提示し客観的な情報を基に、論理的・批判的に考察することの重要性を説明できる。(A-3-1)
事象を注意深く観察して、解決すべき問題を認識できる。(A-4-1)
新しいことに挑戦する気持ちを持つことができる。（A-5-1)

この科目は文理学部のDP3, 4, 5及びCP3, 4, 5に対応しています。
授業の方法 －授業の進め方－
Blackboardを通して，オンデマンド教材を配信する（15分程度×2）。
受講生はその教材を視聴し，毎回，クイズに解答してもらう。クイズの解答は，提出期限後に提供する。
また，Blackbosrdの掲示板機能を通して，「質問」の機会を提供する。
第15回に授業内テストを行う。第14回講義までの内容を問う，回答の形式は記述式で行いBlackbosrdを通して提出してもらう。
－授業の内容－
高校の物理の授業のような公式の暗記と問題の解き方を学ぶのではなく，身近な物理現象を取り上げて，自然科学がわずかな法則にしたがい，その法則を扱って自然現象を考える力を教え，どのような物理法則を扱えば，自然現象が説明できるかをイメージできるようにする。
授業中に言葉の意味が分からなかったり，物理が理解できないときは，講義終了後にBlackboardを通して質問してもらえれば学生のレベルに合わせて対応する。
本授業の事前・事後学習は、各2時間の学習を目安とする。
履修条件 授業概要に書かれている内容に興味を持って取り組める学生が望ましい。
授業計画
1 ガイダンス（授業テーマや到達目標および授業の進め方について説明する。残りの時間で，最近の研究の話題を解説し，授業の雰囲気を知ってもらい，受講するかどうかの判断材料にしてもらう）(A-5-1)
【事前学習】元素（原子）の周期表を手に入れて，鉄，コバルト，ニッケル，銅がどこに記載されているか調べる。 （2時間）
【事後学習】今後，授業で周期表を使う。インターネット上には様々な特徴のある周期表があるので，自分の好みに合ったものを探す。または，高等学校で使用した化学の教科書には周期表が載っているため，これを利用してもよい。 （2時間）
2 「原子とは何か」について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】原子は何でできていてどのような相互作用で結びついているか調べる。 （2時間）
【事後学習】原子が安定に存在できる理由を説明できるようにする。 （2時間）
3 原子が集合することで生まれる物質の多様性について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】物質の３態について調べる。 （2時間）
【事後学習】相転移について説明できるようにする。 （2時間）
4 原子と原子の結合について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】結合の種類と性質について調べる。 （2時間）
【事後学習】イオン結合について説明できるようにする。 （2時間）
5 量子論を用いて原子の電子状態について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】量子論とは何かを調べる。 （2時間）
【事後学習】ハイゼンベルクの不確定性について説明できるようにする。 （2時間）
6 原子を構成する原子核と電子が安定に存在できることをハイゼンベルクの不確定性を用いて説明できることを講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】電子は原子核のまわりをどうしてある広がりを持って安定に存在できるのかを調べる。 （2時間）
【事後学習】ニュートンの運動方程式とシュレディンガー方程式の違いを説明できるようにする。 （2時間）
7 原子核のまわりをまわる電子の軌道について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】電子の軌道とは何かについて調べる。 （2時間）
【事後学習】s軌道，p軌道，d軌道の違いについて説明できるようにする。 （2時間）
8 電子配置およびパウリの排他律について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】電子のスピンとは何かについて調べる。 （2時間）
【事後学習】閉殻イオンの電子分布が球対称になることについて説明できるようにする。 （2時間）
9 原子をつなぐ電子の手（共有結合）について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】共有結合とイオン結合の違いについて調べる。 （2時間）
【事後学習】水素結合は共有結合より弱い結合であることについて説明できるようにする。 （2時間）
10 原子が磁化を帯びるときはどのようなときか講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】鉄くぎがなぜ，磁石に引き寄せられるのか調べる。 （2時間）
【事後学習】鉄くぎは磁石に引き寄せられるが，銅でできた10円玉は磁石に引き寄せられない。これらの理由を原子レベルで説明できるようにする。 （2時間）
11 金属結合について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】金属，半導体，絶縁体について，性質の違いを調べる。 （2時間）
【事後学習】金属結合の特徴について説明できるようにする。 （2時間）
12 原子を規則正しく成膜する技術について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】成膜方法のひとつである真空蒸着について調べる。 （2時間）
【事後学習】金属人工格子について説明できるようにする。 （2時間）
13 巨大磁気抵抗効果について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】ハードディスクの原理について調べる。 （2時間）
【事後学習】スピン依存散乱について説明できるようにする。 （2時間）
14 トンネル磁気抵抗効果について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】磁気トンネル接合とはどのようなものかについて調べる。 （2時間）
【事後学習】マグネティック・ランダム・アクセス・メモリー（MRAM）について説明できるようにする。 （2時間）
15 フラッシュメモリー（NAND型メモリー）について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】パソコンに使われている記録媒体にはどのような種類があるか調べる。 （2時間）
【事後学習】HDDとSSDの違いを説明できるようにする。 （2時間）
その他
教科書 使用しない
参考書 使用しない
成績評価の方法及び基準 授業内テスト:第15回のときに授業内テストを行う。(30%)、授業参画度:第1回から第14回は，オンデマンド教材の視聴状況とクイズの解答状況を授業参画度として評価する。(70%)
授業内テストは他の受講生の解答を参考にしなければ，何を参照にしても構わない。オンデマンド教材をノートにまとめておくことが，授業内テストを解答する助けになる。
ただし，出席回数が十分でない場合は成績評価の対象としない。
オフィスアワー Blackboardを通しての質問などを受ける。

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