物質の構造と性質

科目基礎情報

学校	仙台高等専門学校	開講年度	令和06年度 (2024年度)
授業科目	物質の構造と性質
科目番号	0033	科目区分	専門 / 選択
授業形態	講義	単位の種別と単位数	学修単位: 2
開設学科	情報電子システム工学専攻	対象学年	専2
開設期	3rd-Q	週時間数	4
教科書/教材	必要に応じて資料を提示し，参考書等を紹介する。
担当教員	白根 崇

到達目標

（１）固体物理の基礎としての量子力学に慣れ，色々な物理系に応用可能な幾つかの基礎的量子モデルの波動関数が導出できる．
（２）結晶固体の基本的な性質が理解できる．
（３）金属・半導体・絶縁体の違いを電子のエネルギー・バンド構造の立場から説明できる．

ルーブリック

	理想的な到達レベルの目安	標準的な到達レベルの目安	未到達レベルの目安
物性理解のための量子力学の基礎	水素様原子の問題が十分理解できる．	井戸型ポテンシャルの問題などの基礎的な量子力学の問題を取り扱うことができる．	量子力学の取り扱いが不十分である．
結晶構造と構造解析	逆格子の計算やＸ線構造解析について十分な理解ができる．	結晶構造の基本的な分類ができる．	結晶構造の分類が不十分である．
自由電子	自由電子系の物理量が自在に計算できる．	電子のフェルミ統計的性質が理解できる．	電子集団の性質が理解できない．
バンド構造	色々な結晶構造の上の電子に対するバンド構造を計算し，電子状態を調べることができる．	単純な結晶構造のエネルギーバンドが計算できる．	バンド構造の理解ができない．

学科の到達目標項目との関係

JABEE (A) 実践的技術者としての高度でかつ幅広い基本的能力・素養

教育方法等

概要:

量子力学や統計力学に基づき，固体の構造や電子物性について微視的立場から理解を深める．結晶固体の構造に関する基本的な性質を理解する．また，金属・半導体・絶縁体の違いを電子のバンド構造の立場から理解する．磁性や超伝導など，多体電子系の特徴的な状態についても触れる．
この科目は企業で磁性薄膜素子の設計を担当していた教員が、その経験を活かし、固体構造や電子物性等について講義形式で授業を行なうものである。

授業の進め方・方法:

授業は基本的にホワイトボードに記述しながら進めます．適宜，パワーポイントを使用します．
事前学習：資料は事前に配布するので，次回の授業内容，テキスト内容を確認しておくこと。事後学習：授業後の復習を毎回欠かさず行うこと。

注意点:

成績評価は以下の通りとします．
試験：70点，レポート：30点，合計：100点満点

授業の属性・履修上の区分

実務経験のある教員による授業

授業計画

		週	授業内容	週ごとの到達目標
後期
	3rdQ
		1週	力学の基礎	汎関数を理解し，変分法による計算ができる。また最小原理を理解し，変分法を力学に応用できる。 多粒子系の力学と熱力学の関係を理解できる。
		2週	気体と固体の熱力学	熱力学を理解し，各量の間の関係式を導くことができる。 いろいろな自由度の間の交渉について理解し，結合定数とエネルギー伝達率の関係を説明できる。
		3週	量子力学の基礎	量子力学の基本原理を理解し，典型的モデルについて波動方程式を解くことができる。
		4週	統計力学の基礎	各統計モデルに基づき，エネルギー分布関数を導出できる。
		5週	固体の比熱と自由電子論	格子振動による比熱を導出できる。自由電子による伝導と比熱の関係を導出し，説明できる。
		6週	バンド理論と固体中の電気伝導	ブロッホ定理を満たす波動関数の特徴およびブリルアンゾーンについて説明できる。
		7週	固体の電気・磁気的性質及び最近の固体物性に関するトピックス	スピン流，スピンホール効果，トポロジカル絶縁体などの基礎をバンド理論に基づいて説明できる。
		8週	定期試験

評価割合

	試験	レポート	合計
総合評価割合	70	30	100
基礎的能力	30	10	40
専門的能力	40	20	60