原子分野


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原子分野は、近代科学の進歩とともに、科学者が、物質やこの宇宙がどのようにできているか、という疑問に挑戦し、悪戦格闘した歴史です。

(1) 光速の測定 人類が科学に目覚めたのが、光は何か、光速はどれくらいか、という疑問です。現時点では、光速が長さの単位を決める定数になっています。
(2) 電子 陰極線と言われていたものを、J.J.トムソンは、電子という粒子の流れと考え、1897年、電子の比電荷を実験で求めました。
(3) 黒体輻射 19世紀後半に説明できなかった黒体輻射は、1900年、プランクの量子仮説により説明されました。
(4) 水素原子のスペクトル 水素原子のスペクトルの規則性に気づいたのはリュードベリですが、なぜそうなるのか、20世紀初頭まで謎でした。
(5) 原子 色々な原子モデルが出されましたが、現在では、正電荷を持つ原子核の回りを電子が周回する、というラザフォードのモデルが認められています。ですが、安定性についての難問がありました。
(6) 固体比熱 温度が絶対零度に近づくときに固体比熱がゼロに近づくことは、アインシュタインによって、プランクの量子仮説により説明されました。
(7) 光電効果 強い光を当てても光電流が流れないのに、振動数の大きな弱い光でも光電流が流れるのはなぜか、アインシュタインは、1905年、光は粒子としての側面も持つとして、プランクの量子仮説により説明しました。
(8) コンプトン効果 光を粒子として考えて説明できる実験結果により、アインシュタインの光電効果の説明が裏付けられました。
(8) X 健康診断のX線撮影のX線です。結晶解析に大活躍しています。
(9) ドブロイの公式 光は粒子としての側面も持つ、としたアインシュタインに対し、ド・ブロイは、ならば物質粒子は波としての側面も持つと主張しました。
(10) ボーアの原子模型 ラザフォードの原子モデル、水素原子スペクトルに関する謎を、1913年、ボーアがボーアの原子模型により解明しました。
(11) 量子力学の基礎 ド・ブロイの物質波に対して、シュレーディンガーは、1926年、波動方程式から出発して、原子、電子を記述する方程式を作りました。
(12) 量子力学の基礎(その2) シュレーディンガーの方程式を用いて調和振動子の問題を解いてみます。結晶格子の振動の解析、固体比熱の理論にもつながります。
(13) 量子力学の基礎(その3) シュレーディンガーの方程式によって、水素原子の電子の問題を調べます。メンデレーエフの周期律が説明できます。
(14) 原子核 原子核は陽子、中性子からできています。この結合による結合エネルギーから莫大な核エネルギーを取り出すことができます。放射能、核分裂、核融合、崩壊系列などについて考えます。
(15) 素粒子 最もよく知られた素粒子である電子を古典的に扱います。また、素粒子実験を行う加速器、基本的対称性について考えます。
(16) 素粒子(その2) 素粒子論の基本であるクライン・ゴルドン方程式、ディラック方程式を取り上げ、反粒子、真空偏極、くりこみ、湯川秀樹の中間子論(強い相互作用)について調べます。
(17) 素粒子(その3) ニュートリノの発見に伴うβ崩壊の理論(弱い相互作用)、クォーク・モデルに至る過程、ユニタリ変換、クォークの色荷について調べます。
(18) 素粒子(その4) 電磁気力と弱い相互作用を統一的に扱う電弱統一理論、自発的対称性の破れ、原子核・核子の内部構造(パートン模型)、漸近的自由性、小林・益川理論、ニュートリノ振動を調べ、最後に素粒子の分類についてまとめます。

注意.素粒子については、教科書に、クォークの色とか、陽子・中性子がupクォーク、downクォークから構成されるとか、素粒子の世代、とか、弱い力を媒介するのはWボソンとZボソンだとか、対消滅・対生成、などの記述があるのです(なぜそうなるのか?という疑問に答えるのは非常に難解なことになります)が、入試で、どう取り上げられるのか、過去問などをよく研究して、無駄な入試準備をしないように、充分に注意してください。


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