電子物理

【授業の概要】
ミクロな世界での現象を正確に理解するには量子力学が必須である。本講義では、まず前期
電
子
物
理
量子論から量子力学までを概説し、次に、固体を形成する化学結合の本質について説明し，
電子デバイス材料は固体結晶である場合が多いので、種々の結晶構造とその性質について講
義する。
Physics of Electronic Phenomena
【授業項目 (授業計画)】
Toward Electronic Engineering
(1) 序論
(2) 原子の構造（ボーアモデル）
3 年後期
(3) 前期量子論（プランクの量子仮説）と光電効果
(4) ドゥ・ブロイの関係式（電子の波動性と粒子性）
（月曜日・５時限目）
(5) 電子の波動方程式（シュレーディンガー方程式）
(6) 中心力の働く電子の量子状態（水素原子）
(7) 箱型ポテンシャル中の電子状態
(8) 調和振動子の量子状態
(9) イオン結合と共有結合
(10)
金属結合、水素結合、ファンデルワールス結合
(11)
空間格子と結晶格子（ミラー指数，単位セル，ブラベー格子）まとめ
(12)
半導体の結晶構造（ダイアモンド構造、閃亜鉛構造など）
(13)
電子デバイスへの応用
Lectured by Professor Dr. Y. Maeda
(14)
まとめ
（大学院情報工学研究院電子情報工学研究系）
(15)
期末試験
(16)
「期末試験」の模範解答の説明。
講述
教授前田
佳均
Department of Computer Science and Electronics
【授業の達成目標 (学習・教育目標との関連)】
(1)電子の波動性と粒子性について十分に理解する。
(2)シュレーディンガー方程式について十分に理解する。
(3)種々の化学結合とそれに基づいた物性について理解する。
(4)半導体等のミクロな構造等について理解する。
2013 年度版
1
【キーワード】
III. 結晶構造の物理
波動性、粒子性、二重性、前期量子論、光電効果、コンプトン効果、ドゥ・ブロイの関係式、
代表的な化学結合の結晶構造と電子デバイスに関係する半導体の結晶構造を学ぶ．
シュレーディンガー方程式、化学結合、結晶構造、半導体、電子デバイス
【教科書】
(9) イオン結合と共有結合
特に使用しない。プリントを配布．
(10)
金属結合、水素結合、ファンデルワールス結合
【参考書】
(11)
空間格子と結晶格子（ミラー指数，単位セル，ブラベー格子）
(12)
半導体の結晶構造（ダイアモンド構造、閃亜鉛構造など）
(1) 原島
鮮：初等量子力学、裳華房
(2) 沼居貴陽：「固体物性入門」、森北出版
(3) Ｃ．キッテル：固体物理学入門
ISBN978-4-627-77391-2
第 8 版、丸善
(4) 沼居貴陽: 熱物理学・統計物理学演習
IV. 電子デバイスとの関連
ISBN987-4-621-07656-9
I,II, II, IV を関連付けて電子の物理的特性を応用した電子デバイスについて学ぶ．
キッテルの理解を深めるために、丸善 ISBN4(13)
621-04857-0
電子デバイスへの応用（電子トンネル・ダイオード，２次元電子ガスデバイス，高電
子移動度トランジスタ（HEMT）など概説）
(5) 犬石嘉雄、浜川圭弘、白藤純嗣：「半導体物性 I」、朝倉書店
(6) 鈴木芳文、古川昌司、太田成俊、田中洋介、近浦吉則:「原子物理学」、東京教学社
V. 理解や計算に必要な数学
１．序
論
必要の都度に必要最低限の説明をするが，応用数学や特殊関数など専門の教科書で各自自習
すれば理解が深まる．
【講義の構成】
・固有関数（ベクトル）と固有値
I. 量子論
・３次元極関数のラプラシアン
電子の波動性の理解
・ルジャンドル多項式，ルジャンドル陪関数
(2) 原子の構造（ボーアモデル，原子の安定性，定常状態，原子軌道）
・球面調和関数
(3) 前期量子論（プランクの量子仮説）と光電効果
・ラゲール多項式，ラゲール陪多項式
(4) ドゥ・ブロイの関係式（電子の波動性と粒子性）
・エルミート多項式
(5) 電子の波動方程式（シュレディンガー方程式）
【参考書】物理からかかれた特殊関数の教科書
II. （初等）量子力学
・新田英雄 (著)，物理と特殊関数―入門セミナー (物理数学 One Point),共立出版，（分
電子の波動性による典型的な量子力学の計算を学ぶ．
かりやすく丁寧，安価）
・ジョージ.ブラウン・アルフケン, ハンス.J・ウェーバー (著)
(6) 中心力の働く電子の量子状態（３次元球座標系のシュレーディンガー方程式，
基礎物理数学第 4 版 Vol.3 特殊関数，講談社（丁寧な説明．記述が網羅されている）．
水素原子近似）
(7) 箱型ポテンシャル中の電子状態（電子波の定在波の固有エネルギー，電子のトンネル
【ミクロな世界：量子力学の世界】
現象）
(8) 調和振動子の量子状態
ミクロな世界の粒子
（エルミート多項式の固有値と固有エネルギー）
2
原子：電子＋原子核
原子核：核子（陽子，中性子）
核子：６種類のクオーク，1973 年，小林，益川（2008 年ノーベル物理学賞）
素粒子＝物質粒子＋ゲージ粒子
物質の基本粒子＝物質粒子：クオークとレプトン
力を媒介する粒子＝ゲージ粒子
４つの力を媒介するゲージ粒子
・重力（物体間の引力）―重力子（グラビトン）
・電磁気力（電荷，磁荷間のクーロン力）―光子（フォトン）
・弱い力（中性子の陽子への崩壊を起こす力）―ウイークボゾン
・強い力（クオークの結合力）―グルーオン
素粒子論：ミクロな世界の物質を構成する基本粒子や力の法則を研究する．
量子力学：ミクロな世界の力学法則
シュレーディンガー(Schroedinger)方程式
ディラック（Dirac）方程式
【ミクロな世界と宇宙（非常に大きな世界：マクロな世界）】
ビックバンを経て，宇宙は非常に小さい素粒子の世界から，巨大な世界に膨張した．この過
程で，素粒子が生まれ，質量が生まれ，物質が生まれ，重力によって星が生まれた．したが
って，マクロな世界の理解には
ミクロな世界の理解が重要に
なる．（次ページ参照）
CERN＊で売られている標準理論
の方程式を書いたＴシャツ．
３と４行目に質量の起源にな
るヒッグス場の存在が示され
ている．「宇宙＝真空はヒッグ
ス粒子の海」
宇宙の進化（ビッグバン後）
＊欧州原子核研究機構
スイス，ジュネーブ
ＷＷＷを発明
3

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