2024年度/1AHB032100

【木4】物性物理学1 <後期>

物性物理学は現代物理学の主要部分をなし、我々は物質の諸性質を外場との相互作用を通して知覚する。本講義では、物質が示す多様な性質や現象を見通し良く整理し、理解する手法を学ぶ。 始めに、結晶性固体を中心にその凝集状態について説明しながら、結晶学の基礎的な用語や概念、結晶構造を解説する。次に、結晶による波（X線）の回折、逆格子、ブリルアンゾーンについて解説する。 続いて、固体の力学的な性質について、物質中を伝播する弾性波と関連付けて説明する。そして、固体結晶中における格子振動について、単原子1次元格子モデルと2原子1次元格子モデルを取り上げる。また、音響フォノンモードや光学フォノンモードなど格子振動の種類（モード）についても説明する。固体比熱を、エネルギー等分配則に基づいた古典的な考え方、格子振動を量子論的に取り扱ったアインシュタインモデル、さらに状態密度を考慮したデバイモデルに基づいて説明する。 次に、電子物性の基礎である、自由電子、箱に閉じ込められた電子、および、原子が周期的に配列した結晶中の電子の振る舞いについて解説する。特に、状態密度、バンド構造、有効質量、群速度などを用いて特徴付けられる電子、および、電子の特性によって決定づけられる電気伝導や（電子）比熱など解説する。 Condensed matter physics is a major part of modern physics, and we perceive the properties of matter through interaction with the external field. In this lecture, you will learn how to clearly organize and understand the diverse properties and phenomena exhibited by materials. First, we will explain the aggregation state of crystalline solids, as well as the basic terms and concepts of crystallography, as well as crystal structures. Next, we will explain wave (X-ray) diffraction by crystals, reciprocal lattices, and the Brillouin zone. Next, we will explain the mechanical properties of solids in relation to elastic waves propagating in materials. We will then discuss monatomic one-dimensional lattice models and two-atom one-dimensional lattice models regarding lattice vibrations in solid crystals. Also, types (modes) of lattice vibrations, such as acoustic phonon mode and optical phonon mode, will be explained. We will explain the specific heat of solids based on the classical concept based on the law of equal distribution of energy, the Einstein model that treats lattice vibrations quantum theory, and the Debye model that takes density of states into account. Next, we will explain the behavior of free electrons, electrons confined in boxes, and electrons in crystals in which atoms are arranged periodically, which are the basis of electronic physical properties. In particular, we will explain electrons, which are characterized using density of states, band structure, effective mass, group velocity, etc., as well as electrical conduction and (electronic) specific heat, which are determined by the characteristics of electrons.

担当教員氏名

久保田 佳基

科目ナンバリング

AHBPHY32013-J1 (公大) / SBMP16301 (市大)

授業管轄部署

理学部

授業形態

講義

開講キャンパス

杉本

開講区分

週間授業

配当年次

3年 (公大) / 3年 (市大)

注意: 配当年次は学部・学科によって異なる場合があるので、UNIPAで確認してください。

単位数

2単位 (公大) / 2単位 (市大)

注意: 実際の単位数は学部・学科によって異なる場合があるので、必ずUNIPAで確認してください。

到達目標

固体の凝集状態、結晶学の基礎的な用語や概念、結晶構造、Ｘ線回折、結晶固体の熱的性質（主として格子振動）を理解することを目標とする。 具体的には、以下の事項を説明できるようになること。 １. 物質の様々な凝集状態とその機構。 ２. 結晶構造を説明でき、Ｘ線回折により結晶系、単位格子、原子配列の情報を得る原理。 ３. 逆格子とブリルアンゾーン。 ４. 格子振動における単原子１次元モデルと２原子１次元モデルの取り扱いや考え方。 ５. 音響フォノンと光学フォノンの振動の様子、分散関係。 ６. 固体比熱の古典モデル、アインシュタインモデル、デバイモデル、およびその高温と低温での挙動。 ７. 物質中の電子の特性を理解・説明できること。 ８. 電子の分布関数、状態密度や電子比熱を理解・説明できること。 ９. 周期ポテンシャル中の電子に関する定理、バンド構造、有効質量や群速度を理解・説明できること。 レポート課題や期末試験の解答において、導出過程を明確にし、答えに至った道筋や考え方が分かるように文章で説明できることも重要な目標である。

各授業回の説明

授業	授業内容	事前・事後の学習内容
第1回	結晶の構成	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第2回	結晶構造と物質の凝集状態	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第3回	物質によるX線の散乱	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第4回	結晶構造因子	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第5回	ブリルアンゾーン	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第6回	単原子1次元格子と2原子1次元格子	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第7回	フォノン（音響フォノン、光学フォノン）	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第8回	格子比熱（アインシュタインモデル）	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第9回	格子比熱（デバイモデル）	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第10回	自由電子と束縛状態下の電子	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第11回	フェルミ－ディラック分布と状態密度	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第12回	電子密度と電子比熱	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第13回	電気伝導	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第14回	周期ポテンシャル中の電子とブロッホの定理	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第15回	エネルギーバンド	基礎的な力学、電磁気学、量子力学、統計力学の理解を前提として授業を進めるので、不安のある人は内容を改めて確認しておくことが必要である。各授業の前後にそれぞれ2時間程度の予習・復習を行うことが望ましい。
第16回	期末試験

成績評価方法

成績は期末試験：６０％、中間試験：３０％、レポート１０％を基本として、授業への取り組み姿勢などを加味し、総合的に評価する。授業⽬標（達成⽬標）の達成度で成績評価を⾏う。Ｃ（合格）となるためには、結晶学の基礎的な⽤語や概念、固体の凝集状態、固体の力学的性質や電子物性の基礎的事項について理解できることを必要とする。

履修上の注意

教科書は特に指定しない。配布プリント等を用いて授業を進める。

教科書

特に指定しない。

Loading...

参考文献

・ 菊田惺志著 「Ｘ線散乱と放射光科学 基礎編」 (東京大学出版会) ・ B. D. Culity著 「新版 カリティＸ線回折要論」 (アグネ承風社) ・ 早稲田嘉夫、松原英一郎著 「材料学シリーズ Ｘ線構造解析　原子の配列を決める」 (内田老鶴圃) ・ 鹿児島誠一著 「固体物理学」 (裳華房) ・ 黒沢達美著 「基礎物理学選書 物性論」（裳華房） ・ C. Kittel著 「固体物理学入門 第8版上」 (丸善) ・ H. Ibah, H Luth著 「固体物理学 原書4版 物質科学の基礎」 (Springer) ・ N. W. Ashcroft, and N. D. Mermin著「Solid State Physics」(Thomson Learning (1976))

オフィスアワー

- 外部公開シラバスのためデータがありません / Please use UNIPA syllabus -

教員への連絡方法（メールアドレス等）

- 外部公開シラバスのためデータがありません / Please use UNIPA syllabus -