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原子の世界

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令和７年度以降入学者 原子の世界
令和２年度以降入学者 原子の世界
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
授業形態 対面授業
授業概要 物質を構成する原子（元素）は、陽子数に基づけばわずか 118 種類に過ぎない。しかし、これらの原子の組み合わせ方や配列の違いによって、世の中には多種多様な物質が存在し、それぞれが独自の性質を示す。では、この“物質の多様性”はどこから生じるのだろうか。本講義では、その根源にある物理・化学の基本原理を用いて、物質の性質の起源を探究する。
物質の多様性を生み出す主役は「電子」である。電子は極めて小さく、そのふるまいは日常的なマクロの法則（ニュートン力学）では説明できない。電子の世界は、重ね合わせやトンネル効果などの独特な現象を含む“量子論”に従っている。本講義では、量子論の基本的な考え方を学びながら、電子がどのように物質の性質を形づくるのか、その要点を体系的に理解することを目指す。
授業のねらい・到達目標 高校では触れる機会の少ない、原子や分子といった“ミクロの世界”の物理を学び、身のまわりの物質がどのような仕組みで成り立っているのかを理解することを目指します。原子どうしがどのように結びつき、どのようにして固体、液体、気体、さらにはスマートフォンなどの高度な機能材料が生まれるのかを、できるだけ直感的に理解できるように解説します。
この授業では、原子や分子の結合や電子のふるまいに着目しながら、物質の性質がどのように決まるのかを基礎から学びます。また、得られた知識をもとに、自然科学だけでなく、環境問題やエネルギー問題といった現代社会が抱えるテーマについて、自分の言葉で考察できる力を育てることを到達目標とします。文系・理系を問わず、大学1年生でも理解できるように、基本概念から丁寧に取り扱います。

この科目は文理学部のDP3, 4, 5及びCP3, 4, 5に対応している。
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)
授業の形式 講義
授業の方法 －授業の進め方－
対面授業(第1回～第14回)で行う。第15回は対面で授業と学期末テストを行う。
対面授業への対面参加が困難な学生（学部が定めた条件に合致する学生）は，教員の許可をうけて，オンデマンド型で授業に参加することができる。（個別に相談に応じますので，メールまたは授業のときに相談すること。)
受講生は対面授業を受講した後に，毎回，Canvas LMSを用いて確認テストを解いてもらう。
－授業の内容－
本授業では、高校物理のように公式を暗記したり、典型問題の解き方を習得したりすることを目的とはしません。日常生活の中で見られる身近な物理現象を題材にして、自然科学がごく少数の基本法則に基づいて成り立っていることを理解し、その法則を使って現象を自ら考える力を養います。どの物理法則を用いれば身の回りの現象が説明できるのかをイメージできるよう、図や具体例を多く用いながら講義を進めます。
授業中に登場する専門用語や概念が分からない場合、また物理の内容が理解しにくい場合は、講義後に気軽に質問してください。学生それぞれの理解度に応じて個別にサポートします。
なお、本授業の事前学習・事後学習は、それぞれ 2 時間程度 を目安とします。授業中には出席を取り、積極的な参加と理解を重視した進行を行います。
履修条件 本科目は 抽選科目に指定されています。定員を超えた場合は、大学が定める方式に従い CHIPS による抽選を実施します。抽選申請期間や手続き方法の詳細は COMITS2 に掲載されていますので、必ず確認してください。
本授業は、物理が苦手な理系学生や 科学に興味のある文系学生を主な対象としています。文系の学生も多く受講しているため、数式の使用は最小限にとどめ、イラストや具体的な例を用いて分かりやすく説明します。
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。残りの時間で授業を行い，授業の雰囲気を知ってもらう）(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）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
2 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)【対面授業】
【事前学習】氷が水に浮く原理を考える。 （2時間）
【事後学習】物質の３態について説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
3 マクロの世界とミクロの世界について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】物理で使われるマクロとミクロの違いついて調べる。 （2時間）
【事後学習】ハイゼンベルクの不確定性原理を説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
4 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】電子における波と粒子の二重性について調べる。 （2時間）
【事後学習】電子が原子核のまわりに安定して存在できることについて説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
5 原子が磁気を帯びるときはどのようなときかについて講義する。(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について調べる。 （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。これらの違いを原子レベルで説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
6 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】ダイヤモンドはなぜ硬いかについて調べる。 （2時間）
【事後学習】共有結合が固く結びつく結合になる原理について説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
7 金属と絶縁体（半導体）の違いについて講義する。(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，半導体，絶縁体について，性質の違いを説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
8 リチウムイオン電池，水素など，これからのエネルギーについて講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】リチウムイオン電池はどのようにエネルギーを蓄え，取り出せるのかを調べる。 （2時間）
【事後学習】次世代のエネルギーについて調べ，理解を深める。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
9 金属人工格子について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】ハードディスクについて調べる。 （2時間）
【事後学習】ハードディスクの原理について説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
10 トンネル効果と最先端磁気メモリのMRAMについて講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】トンネル効果について調べる。 （2時間）
【事後学習】磁気メモリのしくみを復習する。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
11 半導体，フラッシュメモリについて講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】半導体について調べる。 （2時間）
【事後学習】n型半導体とp型半導体の違いを復習する。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
12 太陽光発電について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】半導体（シリコン）を用いた太陽光発電について調べる。 （2時間）
【事後学習】シリコン太陽電池とペロブスカイト太陽電池の違いを説明できるようにする。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
13 原子力発電と核融合発電について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】原子力発電と核融合発電の違いについて調べる。 （2時間）
【事後学習】次世代のエネルギー源について調べ，自分自身の考えをまとめる。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
14 室温で凍る水について講義する。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】氷が水に浮かぶ理由を考える。 （2時間）
【事後学習】温度や圧力によって物質の性質が変わることを復習する。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
15 放射線について講義する。その後，学期末テストを行いフィードバックする。(A-3-1, A-4-1, A-5-1)
【事前学習】放射線の種類について調べる。 （2時間）
【事後学習】放射線が生活を豊かにしている事柄について調べる。 （2時間）
【担当教員】川上隆輝
【授業形態】対面授業
その他
教科書 なし
参考書 参考書を必要とする学生は相談してください。
成績評価の方法及び基準 授業内テスト:第15回のときに対面で学期末テストを行う。(30%)、授業参画度:対面での授業に参加し，確認テストの答案を採点して総合的に判断する(70%)
講義の後に毎回Canvas LMSを用いて確認テストを行う。
教員の許可をもらってオンデマンド型で受講する学生は，授業の教材の視聴状況と確認テストの得点を総合的に評価して授業参画度とする。
確認テストは期日を設けて提出してもらう。確認テストの提出が遅延になった場合は減点する。
オフィスアワー 授業終了後に質問などを受けつける。（対面の学生は教室で，オンデマンド型の学生はメールで対応する）

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