構造物理化学 I [Physical Chemistry for Molecular Structure I]

理工学部, 専門基礎科目, 個別基礎科目,
対象: 理工学部物質創成化学科 1 年 (必修),
担当: 宮本量 (理工学研究科, 理工部物質創成化学科)
後期, 火曜日, 5--6 時限

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• 授業の概要
• 授業の目的・目標
• 準備学習 (予習・復習) 等の内容
• 教科書・参考書
• 日程と内容
• 評価について
• 宿題
• 質問について
• 読書感想文 (仮称) について
• 期末評価について
• 最後に, または始めに

本講義では, 物理化学のうちの 量子化学分野 を学びます.

本講義では, まず始めに量子論の黎明期の発展を概観することでその必要性について理解します. その次に, 簡単な系 (箱の中の粒子) についてのシュレーディンガー方程式を実際に解き, その結果からどんなことが言えるのかを学びます. こうして実感を得た後に, 少し抽象的に量子力学の原理について学びます. 最後に, 重要な系である調和振動子・剛体回転子について学びます. ここでとりあげられる三つの簡単な系は全ての原子・分子を理解する基本・基礎として非常に重要であり, これだけでも化学的に興味のある多くの系について量子論的に考察することが可能になります.

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• 分子の性質を精密に記述し議論するためには, 道具として物理学や数学を必要とすることを理解している.
• 分子の幾何学的な構造・物質の色・化合物の反応性などや, 分子の光学的・電気的・磁気的な性質を記述するためには量子力学が必要であることを理解している.
• 量子力学のマスター方程式であるシュレディンガー方程式を知っている.
• 波動関数や演算子について知っており, これらが持つ性質を理解している.
• 固有値・固有関数について理解している.
• 物理量 (オブザーバブル, 観測量) を求める手順を知っていて, 実際に計算することができる. そうして得られた物理量は期待値であること, そしてこれと固有値との関係を理解している.
• 箱の中の粒子の問題について, シュレーディンガー方程式を解き, 波動関数とエネルギーを求めることができる.
• 調和振動子について, それがフックの法則に従う系であること, 分子振動に応用できること, およびそのエネルギー準位について知っている.
• 剛体回転子の波動関数が球面調和関数であること, および球面調和関数が原子軌道において重要な役割を果たすことを知っている.

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予習・復習ともに, 教科書 (や参考書) をよく読むことが基本中の基本です. それに加えて, 下記のように数式を用いた計算や数式の意味を考えることが必要です.

予習: 教科書を少し先まで読み, ここで議論していることの行く先についてのイメージを持つようにする. 話の中に出てくる数式になじんでおく.

復習: 教科書の例題および講義で示された数式の展開を, もう一度自分の手でやってみる (写すのではない). 数式の意味を考えてみる. 章末問題を解いてみる.

(予習と復習は, 最低でも合わせて 4 時間程度行う必要があります. (教室での講義時間の 2 倍以上の時間を自宅学習に費やすことになっています.))

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• マッカーリ&サイモン, 物理化学 (上), 東京化学同人

• Heather Cox (著), Problems & Solutions to Accompany McQuarrie - Simon Physical Chemistry: A Molecular Approach, Univ Science Books (1997/10).

以下に参考書を示しますが, このリストは随時追加されるかもしれません.

量子力学・量子化学に関するもの (入門編)

• 量子化学 基本の考え方16章, 中田宗隆, 東京化学同人
• 物理化学入門シリーズ 量子化学, 大野公一, 裳華房
• これからはじめる量子化学, 辻和秀, オーム社

• ``量子力学'', 岩波基礎物理シリーズ 5, 原康夫, 岩波書店.
• ``物質の量子力学'', 岩波基礎物理シリーズ 6, 岡崎誠, 岩波書店.
• ``量子論'', 改訂版, 基礎物理学選書 2, 小出昭一郎, 裳華房.
• ``物理化学 I 物質の構造'', 第二版, 化学教科書シリーズ, 池上雄作・岩泉正基・手老省三, 丸善.

• ``量子力学 1, 2'', ランダウ & リフシッツ, 東京図書. (残念, 絶版です. でも英訳書なら入手可能)
• ``ファインマン物理学 5, 量子力学'', ファインマン & レイトン & サンズ, 岩波 書店.
• ``量子力学 1, 2, 3'', メシア, 東京図書. (これも絶版, 残念. 英訳書を御覧あれ)
• ``現代の量子力学 第2版 上, 下'', J. J. サクライ, 吉岡書店.
• ``量子力学 I, II, 補 (角運動量とスピン)'', 朝永振一郎, みすず書房.
• ``量子力学 上, 下'', シッフ, 吉岡書店.
• ``量子力学'', ディラック, 岩波書店 (英書, みすず書房).
• グライナー物理テキストシリーズ ``量子力学概論'', W. グライナー, シュプリンガー・フェアラーク東京 丸善.
• ``量子力学 I, II'', 改訂版, 基礎物理学選書 5A & 5B, 小出昭一郎, 裳華房.
• ``Quantum Chemistry'', Eyring, Toppan. (あ, これも絶版らしいです)
• ``量子力学入門 化学の土台'', ライナス・ポーリング & E・ブライト・ウィルソン, 丸善. (Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry の新訳版)
• ``新しい量子化学 上, 下'', ザボ & オストランド, 東京大学出版会.
• ``三訂 量子化学入門 上, 下'', 米澤・永田・加藤・今村・諸熊, 化学同人.
• ``Quantum Chemistry'', Levine, Prentice Hall.
• ``Molecular Quantum Mechanics'', Atkins, Oxford.
• ``現代量子化学の基礎'', 中島威・藤村勇一, 共立出版.
• ``量子化学 上, 下'', 原田義也, 裳華房.

• ``マッカーリ 化学数学'', D.A.マッカーリ 著, 藤森・松澤・筑紫 訳, 丸善.

• ``物理のための数学'', 物理入門コース 10, 和達三樹, 岩波書店.
• ``物理の数学'', 岩波基礎物理シリーズ 10, 薩摩順吉, 岩波書店.
• ``物理と化学のための数学 I, II'', マージナウ・マーフィ, 共立出版.
• ``物理と行列'', 物理と数学シリーズ 1, 今村勤, 岩波書店. (同シリーズの他書も可)
• 前掲の ザボ & オストランド の第一章は数学の準備の章.
• ``Mathematics for Physical Chemistry'', D. A. McQuarrie, University Science Books. (教科書の著者による「物理化学のための数学」, ただし英書)
• ``Mathematics for Physical Chemistry'' 4th ed., R.G.Mortimer, Elsevier.
• ``物理学のための数学'', 一石賢, ベレ出版.
• ``物理数学入門 I, II'', Chen Wa Wong 著, 小林〓郎・近匡 共訳, 丸善. (〓は 徹 のぎょうにんべんのかわりにさんずい)
• ``ライブ講義 大学1年生のための数学入門'', 奈佐原顕郎, 講談社.

• ベーシック物理化学, 原公彦・米谷紀嗣・藤村陽, 化学同人
• はじめて学ぶ物理化学, 枝元一之, 化学同人
• 第4版 化学 −物質・エネルギー・環境, 浅野努・荒川剛・菊川清, 学術図書出版社
• はじめて学ぶ 大学の物理化学, 齊藤昊, 化学同人
• ベーシックマスター 物理化学, 築山光一・近藤寛・一國伸之 (共編), オーム社
• 物理化学入門, 真下清・沼田靖・鈴鹿敢・山田和典, 東京教学社
• ステップアップ 大学の物理化学, 齋藤勝裕・林久夫, 裳華房
• 第2版 物理化学 I −物質の構造−, 同 II −熱力学・速度論−, 池上雄作・岩泉正基・手老省三, 丸善
• フレンドリー物理化学, 田中潔・荒井貞夫, 三共出版
• 理系のための 基礎化学, 増田芳男・澤田清 (編著), 化学同人
• 物質化学の基礎, 多賀光彦・中村博・吉田登, 三共出版
• わかる×わかった！ 物理化学, 齋藤勝裕・長谷川美貴, オーム社
• 化学はじめの一歩シリーズ1 化学基礎, 北條博彦・渡辺正, 化学同人
• コンサイス物理化学, D.W.Rogers 著, 中村和郎 訳, 東京化学同人
• アトキンス 物理化学 第10版 (上)(下), 東京化学同人
• アトキンス 基礎物理化学 分子論的アプローチ 第2版 (上)(下), 東京化学同人
• アトキンス 物理化学要論 第7版, 東京化学同人
• 現代物理化学, 寺嶋正秀・馬場正昭・松本吉泰, 化学同人

• 物理化学 基礎の基礎 −知っておきたい103のコンセプト−, 田中一義 (編著), 化学同人
• 化学・バイオがわかる物理111講, 渡辺正・北條博彦, オーム社
• 物理学のための数学, 一石賢, ベレ出版
• はじめての物理数学, 永野裕之, SBクリエイティブ
• 物理法則対話, 亀淵迪, 岩波科学ライブラリー

• アトキンス 物理化学入門, P.Atkins 著, 渡辺正 訳, 東京化学同人

• G.ポリア, いかにして問題をとくか, 丸善
• ウェイン.A.ウィケルグレン, 問題をどう解くか, ちくま学芸文庫
• 中谷宇吉郎, 科学の方法, 岩波新書
• アンソニー・ウェストン, 論証のルールブック, ちくま学芸文庫

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• 10/05: video, html pdf
• 10/12: video, html pdf
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• 11/16: video, html pdf Teams の動作が通常と異なり, ミュート解除や録画のボタンがなくてできませんでした。原因は不明です。
• 11/30: video_a, video_b, 講義メモ; html pdf 今回の講義は オンデマンド で配信しています. 詳細は Moodle のページ参照; レポート
• 12/07: video, html pdf
• 12/14: video, html pdf
• 12/21: video, html pdf
• 01/04: video, 講義メモ, html pdf; 今回の講義は メディア授業として実施されました.
• 01/11: video, 講義メモ, html pdf; 今回の講義は メディア授業として実施されました.
• 01/18: video, 講義メモ, html pdf; 今回の講義は メディア授業として実施されました.
• 01/25: video, 講義メモ, html pdf; 今回の講義は メディア授業として実施されました.
• 02/01: video, 講義メモ, html pdf; 今回の講義は メディア授業として実施されました.
• (02/08): video, html pdf (15+1 回)

おおむね教科書に記載の順で講義がなされます.

• 第01回　第一章 量子論の夜明け <1>量子仮説と光電効果
• 第02回　第一章 量子論の夜明け <2>水素原子のスペクトル
• 第03回　第二章 古典的波動方程式 <1>二階線形微分方程式の解き方
• 第04回　第二章 古典的波動方程式 <2>一次元波動方程式
• 第05回　第二章 古典的波動方程式 <3>変数分離法
• 第06回　第三章 シュレーディンガー方程式と箱の中の粒子 <1>線形演算子と固有値
• 第07回　第三章 シュレーディンガー方程式と箱の中の粒子 <2>シュレーディンガー方程式と波動関数の意味
• 第08回　第三章 シュレーディンガー方程式と箱の中の粒子 <3>エネルギーの量子化
• 第09回　第三章 シュレーディンガー方程式と箱の中の粒子 <4>平均の位置と平均の運動量
• 第10回　第四章 量子力学の仮説と一般原理 <1>物理量と量子力学的演算子
• 第11回　第四章 量子力学の仮説と一般原理 <2>固有関数の規格化と直交性
• 第12回　第四章 量子力学の仮説と一般原理 <3>交換子
• 第13回　第五章 調和振動子と剛体回転子 <1>フックのポテンシャルと調和振動子
• 第14回　第五章 調和振動子と剛体回転子 <2>調和振動子の固有関数
• 第15回　第五章 調和振動子と剛体回転子 <3>剛体回転子

評価は, 平常評価 (質問カードと小テスト, 20 %), 中間評価 (レポート, 30 %), 期末評価 (レポートまたは試験, 50 %) を総合して評価されます. なお配点は目安です.

小テストは, おおむね各章が終わる毎に, 章末問題から数題を選んで実施したいです. 出題された問題が解けなかった人は, 関連する事項をよく復習してください.
小テストでは, 教科書でもノートでも参考書でも, いくらでも参照してかまいません. 数値計算には電卓が必要となるかもしれません. あらかじめ章末問題を解いてみておいて, そのノートを写すことすらもアリです. その章の内容を理解したかどうかを確認することも, 小テストの目的ですから.

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質問は, 講義時間中に随時受け付けます. 私の説明を遮って質問しても構いません. 次の単元に進んでしまう前に, 現在の単元で理解があやふやな所がないようにして おきましょう. もちろん, 授業時間以外でも質問しにくることは歓迎します. オフィスアワーを活用してもいいですね (あたりまえなんですけど).

ということで,

質問すること, 疑問を持つことは, それ自体で価値があります.
大学以上のレベルでは, 問うことと答えることとは非常に近い関係にあると知りましょう.

何が分からないかが分かれば, ほとんど解けたと同じ.

そこで本講義では, 質問を発する訓練をしましょう. 毎回の講義の出欠調べを兼ねて, 紙片に質問を記入して講義時間の おわりに提出してください (質問カード; 紙片は, A4 の 1/8 程度が適当です (A7 相当)). 受け取った質問は, プリントにまとめて次回の講義時に配布するとともに, すべてサポート Web ページ (ここ) に掲載します. 最近は on-line で質問を提出してもらっています. 質問は当日夕方ごろまでに提出してください. また, 受け取った質問と私の回答 (注: 解答ではない) は, プリントとしては配布していません. web で参照するか, または pdf をご覧ください. 出席とカウントされているかどうかの確認だけでなく, 他人の質問を見て, 良い質問のしかたを考えてみましょう.

という訳ですから, 質問カードが提出されていることをもって出席とみなし, また質問の内容は評価の対象です.

一応, 質問は講義内容に関するもの, としておきます. しかし, それに従わない権利は常にあります (もちろんその結果は質問者が負うわけだが). テストで白紙答案を提出する権利とか, 愚行権とも言うが.

前記「日程」の html または pdf をクリックすると, その回の「質問とコメント」に飛びます.

コメントは, 期待されている答えとは, おそらく異なるでしょう. そのために, 質問者(学生)をバカにしていると感じる人も, 一定数いることが予想されます. しかしむしろ積極的に, あえて直接の答えではない回答をコメントとしてつけています. つまりそれは, 安直に与えられた物を暗記して済ませるのではなく, 質問についてより深く考えてみることや, 思考を深めたり知識を広げたりするための方向性を, コメントとして示唆するようにしているということです. そうすることによって, 質問をきっかけとして学生自身に考えてもらい, 知識や学問の体系に関する新たな視点が開けてくることを期待します. 繰り返しますが, 安易に解答 (らしきもの) を暗記することは大学での勉強ではないと. 毎回質問を書いてもらうことは, そういった豆知識を覚えてもらうためではありません.

最近は受講学生数が多いので, 配布プリントではコメントの文字数を節約し, また上下の行のすき間を活用する等, 密に充填されている傾向にあります. ぶっきらぼうな回答もまた, 反感を買う要素ではあります. しかし見掛けに騙されずに, 本質を読み取る能力を養いましょう :-)
(また, 数式の画像イメージは表示されません. ALT 属性のテキストを参照してください.)

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学生のみなさんには, 化学/科学に関する興味を養ってもらいたいと思います.

科学・技術が十分に発達してしまった現代では, まるで魔法のようなことが 当り前のようにできてしまいます. しかしそれを当り前と思ってしまい, ブラックボックスをブラックボックスのまま 鵜呑みにして済ませてしまうという態度は, ある種の思考停止であり, 高等教育を受けよう (大学で勉強しよう) という志とは相容れない態度と 言えるのではないでしょうか. そして日常的にも, 拙速な「結果」を求めるあまり, 「メカニズムとプロセスに 対する関心」を失ってしまっているのではないでしょうか. 自然のメカニズムとプロセスを解明することが, 本来の自然科学の在りよう だったと思われます. 大学で勉強し, その後に社会に出て活躍することを欲する学生のみなさんには, そしてそのことが期待されているみなさんには, ぜひとも「メカニズムとプロセスに 対する関心」を育んでいただきたいと思います.

そこでこの講義では, 読書感想文 (仮称) の課題を課します; 物質科学・物理学・化学など (関連分野や派生事項を含む) に関する 一般向け解説・啓蒙書を一冊以上読み, その読書感想・評論・調査報告などを まとめてレポートとして提出してください. レポートは A4 版の用紙 2 枚以上の分量であることとします. 「おもしろかった」などというヒトコトしか書かないようなものはダメです. この課題の提出期限は, 11月 30日 (火) の授業時間終了時 (14:10 JST) とします.

対象とする書籍は例をあげると, 講談社のブルーバックス・岩波新書・岩波文庫・ 岩波同時代ライブラリ・中公新書などの物理・化学・科学に関するものや, 科学者の伝記的なものが考えられます. また単行本でももちろん良くて, たとえば、``ハインズ博士「超科学」をきる''とか, みすず書房のハイゼンベルク・シュレディンガー・プリゴジン・朝永らの著作など でも結構です.

しかし残念ながら, 避けることが望ましい書籍をあげざるをえません. それはまず, 見開き二ページないし数ページである一つの事柄を説明したものの 集積になっている, いわゆる「豆知識本」です. 例えば (あくまで例示であり, 具体的な書名をあげて 著者・編者には申し訳ありません. 他にも類似書は多数あります) 「図解雑学 〜」とか「サルでもわかる〜」のようなものです. 系統的に専門的な学問の体系を身につけようという大学生に, ふさわしい書物とは思えません. また内容のレベルについても, 小中学生レベルの本では, ハッキリ言って 恥ずかしいですよ. みなさんは大学生なのですから. さらにオカルト本・ニセ科学本を, そうとはわからずに本物の科学と 信じてしまった論評は, 困りものです。論理的科学的思考力が疑われます. しかし取り上げ方によっては, これらの本でもいいかもしれません. あくまでも内容で評価しますから.

残念ながらもうひとつ, 重要な注意をする必要があります. それは **二重投稿は禁止** あるいは **自己レポの再利用は禁止** ということです. すなわち, 同学期の別の講義あるいは以前の学期で受講した講義で, 自分がレポートとして提出した読書感想文(仮称) でとりあげた書籍と同じものを, ここで再びとりあげるのは禁止します. その理由は, コピペ はダメ[*注]ということと, 学生さんにはなるべく多くの書籍を読んでほしいということです. もちろん, 自分が以前に読んだ本をくりかし読むことは 全然悪いことではありません. 自主的にいくらでも読み返してください. しかしこの課題では, その都度, 別の本を読んでくださいということです.

[*注] 過去の書籍リストは, この Web 上にあります. 本文まですっかりコピペしたのか (過去に事例あり(!)), それとも同一書籍で別文章なのかの区別はつけられませんので, 本課題の趣旨を考慮して, 同一学生の同一書籍の複数回使用を禁止とします.

なお文芸評論の手法に関しては,

「文学部唯野教授」, 筒井康隆, 岩波同時代ライブラリー

• 「理科系の作文技術」, 木下是雄, 中公新書
• 「読み書きの技法」, 小河原誠, ちくま新書
• 「論文の教室」, 戸田山和久, NHKブックス

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レポートまたは試験. どうするかは, いちおう未定です (笑).

下記のポリシーにしたがいます.

• まじめに努力した人が損をしないようにする.
• 提出された物に基づいて評価する.
  --- 提出されていないものを評価の対象にできない. あたりまえ.
• 学生に ``勉強しなくてよい'' などとは決して言わないし, そういう態度も示さない.
  --- 学生が勉強の成果を持参した場合, 受取拒否はしない.
• 何をどうすれば良いかは, 学生が自分で考える.
  --- 教員の ``これをやればよい'' は, 学生にとって ``それ以上やらなくて良い'' になる(?!).

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最後に, 「大学で勉強するとは, どういうことなのでしょうか ?」と, 問いかけておきます.

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