2021年度 化学物理学   Chemical Physics

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開講元
物理学系
担当教員名
金森 英人 
授業形態
講義    (ZOOM)
曜日・時限(講義室)
月1-2(H103)  木1-2(H103)  
クラス
-
科目コード
PHY.C343
単位数
2
開講年度
2021年度
開講クォーター
4Q
シラバス更新日
2021年11月8日
講義資料更新日
-
使用言語
日本語
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講義の概要とねらい

原子・分子、および光がかかわる現象の微視的な理解は、量子力学の誕生と発展の歴史に深く関わってきました。このことは量子力学を理解するためには原子・分子が具体的で最良の教材であることを意味します。また世界的には、原子Atom・分子Molecule・光Opticsの頭文字をとってAMOと呼ばれる物理と化学の枠を越えた幅広い研究分野として確立しています。我々にとって身近な存在である原子・分子の性質や挙動を量子力学的視点で理解していきましょう。

到達目標

本講義を履修することにより、以下の知識と能力を習得する。
1) 分子の有する、電子、振動、回転、電子スピン、角運動量を量子論的に取り扱うことができるようにする。
2)それらの角運動量の間の相互作用を量子論的に取り扱い、分子の固有状態、固有エネルギーを取りあつかうことができるようにする。
3)その上で、紫外、赤外、マイクロ波との相互作用の結果として観測される電子、振動、回転スペクトルを理解する。
4)分子間に働く分散力と分子内の化学結合の力を、量子力学によって説明する。
5)化学反応を分子間の衝突として捉え、その動的過程を量子力学で説明する。

キーワード

スピン、パウリの原理、角運動量の量子論、分子結合、ボルンオッペンハイマー近似、断熱ポテンシャル、分子軌道、電子励起状態、電子配置、振動状態、回転状態、分子と光の相互作用、分子スペクトル、量子統計、対称性と群論、分子間力、分子衝突と化学反応

学生が身につける力(ディグリー・ポリシー)

専門力 教養力 コミュニケーション力 展開力(探究力又は設定力) 展開力(実践力又は解決力)

授業の進め方

講義の要点や重要な数式、グラフ、図を一部マスクしたパワーポイント仕様の未完成な講義ノートを授業の始めに配布します。授業中は板書の代わりに、スクリーン上のパワーポイン画面に必要事項を書き加えながら説明していきます。諸君は説明を聞きながら、ブランク部を自分で書込・補填することによって完成版講義ノートとて下さい。

授業計画・課題

  授業計画 課題
第1回 水素原子;1電子系の波動関数 複素関数としての動径方向と角度方向の波動関数の理解
第2回 He原子;スピン状態を考慮した2電子系の波動関数  等価粒子の交換対称性とパウリの原理
第3回 多電子原子;多電子系の角運動量と電子状態 励起状態を含めた電子配置と周期律表の関係を理解する
第4回 2原子分子;水素分子イオンの断熱ポテンシャルと分子軌道 水素分子イオンにおいて分子結合の起源を理解する。 分子軌道の分類
第5回 2原子分子;水素分子イオンの振動・回転状態 核の運動の量子論的取り扱い。等核2原子分子の交換対称性
第6回 一般の2原子分子の量子状態とエネルギー固有値 分子内部エネルギー状態の階層化
第7回 多原子分子;分子の対称性と群論の基礎  点群と既約表現の応用、既約表現指標の使い方
第8回 分子と光の相互作用 時間変動電場との分子の相互作用
第9回 光学遷移の選択律 多電子原子、2原子分子、多原子分子の許容と禁制遷移を対称性と保存則から理解する。
第10回 分子の紫外・赤外・マイクロ波スペクトル  スペクトルパターンと強度を決める因子は何か?
第11回 相互作用しあう分子 分子間相互作用の実態 ファンデルワース力
第12回 ミクロの視点での液相と固相 相互作用時間スケールの把握 相平衡と相転移
第13回 分子衝突と化学反応 素反応とは 微視的反応論と巨視的反応速度論
第14回 化学反応ダイナミクス 多次元ポテンシャル上のトラジェクトリーとして化学反応を捉える。

授業時間外学修(予習・復習等)

学修効果を上げるため,教科書や配布資料等の該当箇所を参照し,「毎授業」授業内容に関する予習と復習(課題含む)をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。

教科書

指定なし。

参考書、講義資料等

講義資料を授業中に配布。
参考書としては、アトキンス「化学物理」上・下 (東京化学同人)

成績評価の基準及び方法

講義での小レポートと期末試験

関連する科目

  • PHY.Q207 : 量子力学入門
  • PHY.Q208 : 量子力学II
  • PHY.Q311 : 量子力学III
  • PHY.E205 : 電磁気学
  • PHY.S301 : 統計力学

履修の条件(知識・技能・履修済科目等)

量子力学入門の理解を前提に、量子力学IIの内容を復習・確認しながら学習することが望ましい。

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