平成27年度 沼津工業高等専門学校シラバス
専１年

固体物理学

講義

前期科目
新機能材料工学コース

大澤友克
担当

Solid State Physics

選択

２単位

Tomokatsu Ohsawa

授業の概要
固体物理学は、化学的に結合した多数の原子系が作る凝集状態（固相）を扱う学問である。講義では、まず導入として、量子力学の基礎を学ぶ。次に固体物理学の基礎として、結晶構造、周期構造からの回折現象、結晶結合を学ぶ。また固体の物理的性質は大まかに、電子の運動によって決まるものと、原子の平衡位置まわりの運動に関係するものとの２種類に分けられる。それぞれの運動から得られる物理量を学ぶ。最後に、最近のトピックスとして、スピントロニクスについて触れる。

本校学習・教育目標（本科のみ）プログラム学習・教育目標（プログラム対象科目のみ）

目標
説明
1
技術者の社会的役割と責任を自覚する態度
2
自然科学の成果を社会の要請に応えて応用する能力
3
工学技術の専門的知識を創造的に活用する能力
4
豊かな国際感覚とコミュニケーション能力
5
実践的技術者として計画的に自己研鑽を継続する姿勢
実践指針
実践指針のレベル（プログラム対象科目のみ）（プログラム対象科目のみ）(B1-4）数学、自然科学及び情報技術の知識をもとに、

B. 数学、自然科学及び情報技術 (B1) 数学、自然科学及び情報技術の知識を、環境エ 環境エネルギー工学、新機能材料工学、医療福祉機器
ネルギー工学、新機能材料工学、医療福祉機器開発を応用し、活用する能力を備え、 工学等の複合・融合領域に派生する社会的ニーズに 開発工学などの複合・融合領域に派生する社会的ニー
社会の要求にこたえる姿勢応えるために活用することができる。
ズを分析できる。
授業目標
１．量子力学の簡単なポテンシャル問題を解くことができる。
２．簡単な結晶構造とその結晶による回折現象について、説明することができる。
３．いくつかの結晶結合について、その違い、特徴を説明することができる。
４．自由電子フェルミ気体により、簡単な金属の性質を説明することができる。
５．スピントロニクスの代表的なデバイスであるTMRについて、構造とその原理を簡単に説明することができる。(B1-4)

第1回
第2回
第3回
第4回
第5回
第6回
第7回
第8回
第9回
第10回
第11回第12回
第13回
第14回
第15回

授業計画
ガイダンス
全体概要、導入
量子力学の基礎1次元井戸型ポテンシャル、トンネル効果
量子力学の基礎
水素原子ポテンシャル
結晶構造
様々な結晶構造、結晶面の指数回折現象
回折の一般理論、周期構造と逆格子回折現象
周期構造に対する散乱条件、ブラッグ反射、ブリルアンゾーン
回折現象
構造因子、構造解析の方法
結晶結合
希ガス結晶、イオン結晶
結晶結合
共有結合結晶、金属結晶など
フォノン
単原子結晶の振動
自由電子フェルミ気体 フェルミ分布関数、状態密度
自由電子フェルミ気体 電子気体の比熱
自由電子フェルミ気体 電気伝導率とオームの法則
スピントロニクス
スピントロニクスの基礎
スピントロニクス
スピントロニクスの応用
試験

評価方法 定期試験５０％、レポート５０％。授業目標５（B1-4）が標準基準（６割）以上で、かつ科目全体で６０点以上の場合に合格とする。評価基準については、成績評価基準表による。と基準
教科書等

備考

・キッテル固体物理学入門第8版 丸善出版
・固体物理学（新世紀物質科学への基礎）H．イバッハ/H．リュート
1.試験や課題レポート等は、JABEE 、大学評価・学位授与機構、文部科学省の教育実施検査に使用することがあります。
2.授業参観される教員は当該授業が行われる少なくとも1週間前に教科目担当教員へ連絡してください。

「固体物理学」の成績評価基準表
A：定期試験
B：課題レポート
C：その他（評価割合１００％
A
BC

到達基準

到達目標
未達成標準基準）

理想的基準

時間に依存しないシュレ
ディンガー方程式を記述
時間に依存しないシュレ 時間に依存しないシュレ 時間に依存しないシュレ できる。
ディンガー方程式を記述 ディンガー方程式を記述 ディンガー方程式を記述 量子力学の簡単なポテンできる。
できない。
できる。
シャル問題を解くことがで量子力学の簡単なポテン 量子力学の簡単なポテン 量子力学の簡単なポテン き、固有値、固有関数をシャル問題を解くことがで シャル問題を解くことがで シャル問題を解くことがで 図示できる。
きる。
きない。
きる。
3次元の井戸型ポテン
状態密度について説明す 状態密度について説明す 状態密度について説明す シャル問題から、状態密ることができる。
ることができない。
ることができる。
度を導出することができ、さらに2次元での状態密度を導出できる。

10

水素原子のシュレディン水素原子の基底エネル 水素原子の基底エネル 水素原子の基底エネル ガー方程式から、基底エギーを、単位換算を含め ギーを、単位換算を含め ギーを、単位換算を含め ネルギーを導出できる。
正しく計算できる。
正しく計算できない。
正しく計算できる。
基底エネルギーの単位換算を正しくおこなえる。

10

簡単な結晶構造とその結簡単な結晶構造とその結 簡単な結晶構造とその結 簡単な結晶構造とその結 晶の回折現象について、晶の回折現象について、 晶の回折現象について、 晶の回折現象について、 わかりやすく説明すること説明することができる。
説明することができない。 説明することができる。
ができる。
いくつかの結晶結合につ いくつかの結晶結合につ いくつかの結晶結合につ いくつかの結晶結合について、その違い、特徴を いて、その違い、特徴を いて、その違い、特徴を いて、その違い、特徴を説明することができる。
説明することができない。 説明することができる。
わかりやすく説明することができる。

5

フェルミ分布関数を数式で書くことができる。
絶対零度、有限温度それぞれにおいて、エネル
フェルミ分布関数を数式 フェルミ分布関数を数式 フェルミ分布関数を数式ギーに対するフェルミ分で書くことができる。
で書くことができない。
で書くことができる。
布関数の値をグラフに書フェルミ分布関数のグラフ フェルミ分布関数のグラフ フェルミ分布関数のグラフくことができる。
が書ける。フェルミ分布関 が書けない。フェルミ分布 が書ける。フェルミ分布関
フェルミ分布関数の物理
数の物理的意味を説明で 関数の物理的意味を説明 数の物理的意味を説明で的な意味をわかりやすくきる。
できない。
きる。
説明できる。
フェルミ分布関数の特徴を、複数挙げることができる。

10

自由電子フェルミ気体に
自由電子フェルミ気体に 自由電子フェルミ気体に 自由電子フェルミ気体により、簡単な金属の性質
より、簡単な金属の性質 より、簡単な金属の性質 より、簡単な金属の性質（伝導性、比熱等）を数式（伝導性、比熱等）を説明 （伝導性、比熱等）を説明 （伝導性、比熱等）を説明を用いてわかりやすく説することができる。
することができない。
することができる。
明することができる。

20

スピントロニクスの代表的スピントロニクスの代表的スピントロニクスの代表的スピントロニクスの代表的 なデバイスであるTMR（トなデバイスであるTMR（トなデバイスであるTMR（トなデバイスであるTMR（ト ンネル磁気抵抗）素子のンネル磁気抵抗）素子のンネル磁気抵抗）素子のンネル磁気抵抗）素子の 構造を図示できる。
構造を図示できない。
構造を図示できる。
構造を図示できる。
外部磁場に対する、トンネ外部磁場に対する、トンネ外部磁場に対する、トンネ外部磁場に対する、トンネ ル抵抗および磁化のグラル抵抗および磁化のグラル抵抗および磁化のグラル抵抗および磁化のグラ フを正しく図示できる。
フの概形を図示できな
フの概形を図示できる。
フの概形を図示できる。 状態密度模型を用いて、い。
TMR効果の概要を説明す
TMR効果の概要を説明す TMR効果を理論的にわか
TMR効果の概要を説明することができる。(B1-4)
ることができる。
りやすく説明することがでることができない。
きる。

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