原子衝突物理学

概要

本講義では,これまで量子力学や量子化学で学んできたクーロン力により電子が原子・分子内に束縛された「束縛状態」の発展テーマとして,電子が空間を自由に運動し,原子や分子とのクーロン相互作用により散乱される「連続状態」を量子論的に取り扱う「原子衝突物理学」について講義する。原子衝突物理学とは,物理学と化学の境界領域であり,原子・分子レベル(ミクロな視点)から見た化学反応や粒子間の衝突現象とその相互作用のメカニズム,さらにはミクな世界の発光現象や放射線照射による生体内への影響などを解明するための基礎過程として重要な学問分野であり,最近ではプラズマ形成の基礎課程として様々な応用分野でも期待されている。本講義では,原子衝突分野の中でも,外部電場により加速された電子と気相原子・分子との衝突過程をミクロな視点から理解することを目的とする。目には見えない電子と原子・分子の衝突から化学反応やプラズマ形成機構のミクロなレベルで解明するための基本的な概念を古典論・量子論の双方の視点から理解し,それらを観測するために必要な実験装置や測定原理,最近の研究結果や応用分野も踏まえて講義する予定である。 2024年度は,ゲストスピーカー(東京エレクトロン テクノロジーソリューションズ株式会社 松隈正明先生)による2回の特別講義を予定している。これらの回では,本講義で扱う原子衝突の内容が実社会においてどのような役割を果たしているかなどを企業の立場から講義していただく予定である。 本講義は,物質生命理工学科カリキュラム・ポリシー３「原子・分子の視点から物質の創成技術開発に貢献するための能力」の修得,さらにカリキュラム・ポリシー４における(A群)物質とナノテクノロジー(系３材料・分子科学系)に属する科目に該当する。原子・分子物理学の高度な学問的内容を理解し,将来的に化学反応や生体反応に応用・展開するための実験方法や考え方の修得を目指す発展的な物理系専門科目(科目ナンバリングPHY300台)であることを踏まえ,履修に際し,物理・化学の基礎知識が十分に習得されており(あるいは物理や化学に興味があり),現代物理の基礎,原子分子科学,量子物理化学,量子力学などの物理系・物理化学系の科目(科目ナンバリングPHY・CHM200台およびPHY・CHM300台)を履修済(あるいは履修中)であることを前提に講義する。本講義は原則対面の講義形式で実施される。ただし,講義資料の配布はMoodleを使って行う予定である。Moodleの登録キーに関する情報は,初回授業の１週間前までにLoyola「授業掲示」に掲出する。

目標

本科目は,物質生命理工学科ディプロマ・ポリシー3,４に関連して,物質・生命の基礎を体系的に捉える原子・分子的な視点を養った上で,さらに化学反応や生体反応,そして将来的には物質・ナノテクノロジーへ応用・展開するための実験方法や考え方を習得することを主な目的とする。具体的には, １)これまで科目ナンバリング100台から200台で学んだ電子が原子・分子内にクーロン力により束縛された「束縛状態」に対し,本講義ではそこから一歩踏み込んだ電子が空間を自由に運動し,無限遠より標的である原子・分子に接近したのち,クーロン力により相互作用を受けて散乱される「連続状態」の物理学を学ぶことで,既存のマクロ(古典的)な視点による衝突現象に捕らわれることなく,ミクロ(確率論的)な考え方から柔軟な科学的視点を身に着ける。 ２)古典論・量子論の双方の視点から身の回りでおこる物理現象,特にプラズマ現象の基礎を俯瞰することで,化学反応機構や身の回りにある物質の構成を解明するための科学的応用について理解し,我々の身の回りにある様々な物理現象に対して興味を持ち,一歩踏み込んで深く考えることのできる能力を養う。

授業外の学習

本講義では,多くの学生にとって初めて触れることとなる概念が多くあるため,事前配布の講義資料の予習が不可欠である。また,講義内容に関する理解を深めるために授業の内容確認やリアクションペーパーが毎回出題される。確認問題やリアクションペーパーの内容は,以降の講義や期末試験の出題内容にも関わる重要な問題や調査を含むので,次回の講義までに必ず理解しておくこと 【予習】 事前にMoodle上から配布された講義資料に目を通し穴埋め箇所の予想し,新たな専門用語や物理現象については,参考図書まどから調べておく(70分/回)。 【復習】 講義終了後は,授業中に提示された確認問題やリアクションペーパーに解答し,講義中に理解できなかった内容や追加で説明された補足事項などについても自分で調べて,Moodle上からアップロードして提出する(120分/回)。 また,期末試験のについても,試験準備に対して同様の時間を要する。

所要時間: 190分