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物理化学１（量子論入門）

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令和２年度以降入学者 物理化学１（量子論入門）
教員名 野口真理子
単位数    2 学年 1～4 開講区分 文理学部
科目群 化学科
学期 後期 履修区分 必修
授業形態 対面授業
授業の形態 対⾯授業
対面で実施する。また講義資料の共有はCanvas LMSを用いて行うため，初回講義開始までにCanvas LMSのコース登録をすること。
Canvas LMSコースID・コース名称 T00727A05　2024物理化学１（量子論入門）（野口真理子・後・月2）
授業概要 物質を構成する最小単位である原子および分子の構造や性質を理解することは化学において重要である。そのためには電子や原子，分子の運動を適切に記述する必要があり，ニュートンが導入した古典力学ではなく，量子力学という新しい力学が必要となる。
本講義では，量子論が必要とされるようになった歴史的実験事実を概観したのちに，量子論の基礎を学ぶ。あわせて，量子力学を学ぶ上で必要となる数学の知識を整理する。
教科書では「1章　量子論の基礎」「2章　量子モデル」の内容に該当する。数式の変形も含めながら講義を行う。
授業のねらい・到達目標 ＜授業のねらい＞

・電子や原子，分子などミクロな系の力学を理解するために必要な，量子論の基礎を身に付ける。

＜到達目標＞

・電子や原子，分子などミクロな系の運動の理解には，古典力学ではなく量子力学が必要であることが説明できる。
・量子力学の議論の中で，必要に応じて適切な数学の知識を使うことができる。
・簡単な系（粒子の並進，振動，回転運動）のシュレディンガー方程式を解くことができる。

＜日本大学教育憲章との関係＞

A-3-1）自然科学，とりわけ化学に関する情報を理解し，論理的に説明することができる。
A-4-1）さまざまな事象に潜む化学的問題を発見することができる。
A-8-1）自分の学修経験の振り返りを継続的に行うことができる。

＜ディプロマポリシーとの関係＞

この科目は文理学部(学士(理学))のディプロマポリシーDP3.4,8及びCP3,4,8に対応しています。
なお，この科目は旧カリキュラムにおいて，この科目は文理学部(学士(理学))のディプロマポリシーDP6及びカリキュラムポリシーCP9に対応しています。
授業の形式 講義、演習
授業の方法 ①講義は教員による説明と，関連する問題の演習および解説を中心に行う。
②講義資料は事前にCanvas LMSコース中に掲載する。履修者は，各自講義までにダウンロードしておくこと。
③教員による説明はパワーポイントで作成したスライドと黒板を用いて行う。
④各回において，講義内容と関連した問題演習を授業時間内で行う。問題演習時は，特にグループ分けはしないが，履修者同士相談しながら問題を解いてもよい。
⑤演習問題の解説は次回の講義の冒頭で実施する。スライドや黒板を用いて，間違いが多かった点などについてフィードバックを行う。
授業計画
1 ガイダンス，化学における量子力学の位置づけ，水素原子スペクトル（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】シラバスをよく読み，授業全体の流れを理解しておく。 （2時間）
【事後学習】化学における種々の分野の位置づけについて復習し，まとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
2 序論：古典論の破綻と量子論の夜明け（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書 pp.8-10 をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】黒体輻射と原子スペクトルについて復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
3 序論：波ー粒⼦⼆重性，ボーア理論（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書 pp.11-13 をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】光電効果と結晶による粒子の回折について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
4 序論：ボーア理論，ハイゼンベルグの不確定性原理，量⼦論の準備：複素数（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書 pp.13-17 をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】ボーア理論とハイゼンベルグの不確定性原理について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
5 量⼦論の準備：微分、偏微分
量子論の基礎：波動関数とシュレディンガー方程式，古典的波動⽅程式（一次元）（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書 pp.17-20 をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】シュレディンガー方程式と波動関数について授業内容を復習し，まとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
6 量⼦論の準備：古典的波動⽅程式（一次元）の解，統計と確率（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書 pp.26-30をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】古典的波動⽅程式（一次元）の解について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
7 量子論の基礎：ミクロな系の力学，時間に依存しないシュレディンガー方程式，演算子（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書 pp.20-23をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】二次元および多次元の箱の中の粒子のシュレディンガー方程式について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
8 並進運動：一次元の箱の中の粒子のシュレディンガー方程式（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書 pp.26-29をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】一次元の箱の中の粒子のシュレディンガー方程式について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
9 並進運動：一次元の箱の中の粒子の解の特徴（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】一次元の箱の中の粒子のシュレディンガー方程式について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】箱の中の粒子の波動関数とエネルギー固有値について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
10 並進運動：二次元および多次元の箱の中の粒子とトンネル現象（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】一次元の箱の中の粒子のシュレディンガー方程式の式変形をノートに書いておく。 （2時間）
【事後学習】二次元および多次元の箱の中の粒子のシュレディンガー方程式について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
11 量子論の準備：ベクトル，並進運動：波動関数の直交性，振動運動：古典的な調和振動子（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】ベクトルについて復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】ベクトルの内積および外積と，波動関数の直交条件について復習し，関連する内容をノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
12 振動運動：調和振動子の性質（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】古典的な調和振動子のフックの法則について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】調和振動子のシュレディンガー方程式について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
13 振動運動：調和振動⼦のエネルギー準位と波動関数（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】教科書pp.30-32をよく読み，ノートにまとめておく。 （2時間）
【事後学習】調和振動子のエネルギー準位と波動関数の特徴について復習し，ノートにまとめておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
14 回転運動：極座標と剛体回転子（A-3-1, A-4-1）
【事前学習】ベクトルや等速円運動について復習し，まとめておく。 （2時間）
【事後学習】極座標と剛体回転子について復習しておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
15 試験と解説（A-3-1, A-4-1, A-8-1）
【事前学習】これまでの講義内容を復習しておく。 （2時間）
【事後学習】解けなかった問題を再度解いておく。 （2時間）
【授業形態】対面授業
その他
教科書 寺嶋正秀　馬場正昭　松本吉泰　著 『現代物理化学』 化学同人 2015年 第1版
参考書 Peter Atkins・Julio de Paula著，中野元裕・上田貴洋・奥村光隆・北河康隆 訳  『アトキンス物理化学（上）第10版』 東京化学同人
D. A.McQuarrie・J. D. Simon著、千原秀昭・江口太郎・齋藤一弥 訳 『マッカーリ・サイモン物理化学　上　分子論的アプローチ』 東京化学同人
成績評価の方法及び基準 授業内テスト:期末試験(60%)、授業参画度:講義内で行う演習問題への取り組みとその正答率(40%)
オフィスアワー 授業後またはCanvas LMSを介して質問を受け付ける。

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