到達目標
①量子力学の生まれた背景を理解し、シュレディンガー方程式を説明できる。
②ポテンシャル問題に対して、シュレディンガー方程式を適用し、状態解析ができる。
③量子効果を活用した技術を説明できる。
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 | 最低限の到達レベルの目
安(可)
| 未到達レベルの目安 |
評価項目1 | 古典的な波動方程式からシュレディンガー方程式を導出でし、自由粒子問題を説明できる。 | 自由粒子について、シュレディンガー方程式を用いた解法を説明できる。 | 量子力学の生まれた背景について1つ以上理解し、シュレディンガー方程式を説明できる。 | シュレディンガー方程式を説明できない。 |
評価項目2 | 3つ以上のポテンシャル問題に対して、シュレディンガー方程式を適用し、状態解析ができる。 | 2つ以上のポテンシャル問題に対して、シュレディンガー方程式を適用し、状態解析ができる。 | 1つ以上のポテンシャル問題に対して、シュレディンガー方程式を適用し、状態解析ができる。 | ポテンシャル問題に対して、シュレディンガー方程式を適用し、状態解析ができない。 |
評価項目3 | 量子効果について、3つ以上の事例を用いて説明できる。 | 量子効果について、2つ以上の事例を用いて説明できる。 | 量子効果について、1つ以上の事例を用いて説明できる。 | 量子効果について説明できない。 |
学科の到達目標項目との関係
教育方法等
概要:
近年の微細加工技術の進展によるデバイス寸法の微小化に伴い、その動作には当然量子現象が現れてくる。逆に量子現象を利用したデバイス(量子効果デバイス)の開発も進められている。これらの動作の正しい理解には量子力学の知識が必要である。本授業では、量子力学の基礎的知識を習得することを目的とする。
授業の進め方・方法:
この科目は学修単位科目のため、事前・事後学習としてレポートを課します。
数学的な手続きはできる限り省略(プリント配布で対応)し、導出過程(考え方)及び数式から読み取れることに関する説明に注力します。
注意点:
数学、物理の知識が重要です。半導体工学の基礎知識を持っていることが望ましいです。
近年ではナノテクノロジーという言葉をよく耳にしますが、ナノの世界での現象を理解するためには、粒子の波動性が重要になってきます。目には見えない現象を取り扱うので、想像力が大切です。導出した解が教えてくれ意味を読み取れる力をつけましょう。
授業の属性・履修上の区分
授業計画
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週 |
授業内容 |
週ごとの到達目標 |
前期 |
1stQ |
1週 |
古典力学の限界 量子力学の基礎① |
量子化が導入された背景を学び、量子化の考えが必要になる現象のスケールを説明できる。 波動の基本的性質について説明できる。
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2週 |
量子力学の基礎② 自由粒子と量子閉じ込め① |
シュレディンガー方程式と波動関数について説明できる。 シュレディンガー方程式を閉じ込められた1次元自由粒子に適用し、固有状態について分析することができる。
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3週 |
量子力学の基礎③ 自由粒子と量子閉じ込め② |
量子力学における物理量を示す固有値、期待値について説明できる。 モデルを1次元から3次元に拡張し、縮退について検証できる。
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4週 |
量子力学の基礎④ 井戸型ポテンシャルと量子井戸① |
演算子の交換関係と物理量の観測との関係について説明で きる。また、不確定性原理について説明できる 。 シュレディンガー方程式を井戸型ポテンシャル問題に適用し、境界条件について説明できる。
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5週 |
井戸型ポテンシャルと量子井戸② トンネル効果① |
井戸型ポテンシャル内の粒子のエネルギー準位及び波動関 数を分析し、量子効果について検証できる。 シュレディンガー方程式を山形ポテンシャル問題に適用し、確率密度の流れについて説明できる。
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6週 |
トンネル効果② 水素原子模型① |
山型ポテンシャルを透過する粒子(トンネル効果)につい て検証で、トンネル効果に関連する現象ついて説明できる。 シュレディンガー方程式を水素原子問題に適用できる。
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7週 |
水素原子模型② 量子効果ナノデバイス |
水素原子内の離散的な電子の状態について説明できる。 量子効果の応用性について理解し、量子力学の必要性を説明できる。
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8週 |
期末試験 試験返却 |
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モデルコアカリキュラムの学習内容と到達目標
分類 | 分野 | 学習内容 | 学習内容の到達目標 | 到達レベル | 授業週 |
評価割合
| 試験 | 発表 | 相互評価 | 態度 | ポートフォリオ | レポート | 合計 |
総合評価割合 | 60 | 0 | 0 | 0 | 0 | 40 | 100 |
知識の基本的な理解 | 30 | 0 | 0 | 0 | 0 | 25 | 55 |
思考・推論・創造への 適用力 | 30 | 0 | 0 | 0 | 0 | 10 | 40 |
汎用的技能 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
態度・志向性(人間力) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 5 | 5 |
総合的な学習経験と 創造的思考力 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |