シラバス参照

講義概要/Course Information

2024/05/03 現在

科目基礎情報/General Information

授業科目名 /Course title (Japanese)	物理化学特論
英文授業科目名 /Course title (English)	Advanced Physical Chemistry
科目番号 /Code
開講年度 /Academic year	2021年度	開講年次 /Year offered	全学年
開講学期 /Semester(s) offered	後学期	開講コース・課程 /Faculty offering the course	博士前期課程、博士後期課程
授業の方法 /Teaching method	講義	単位数 /Credits	2
科目区分 /Category	大学院専門教育科目 - 専門科目Ⅱ
開講類・専攻 /Cluster/Department	基盤理工学専攻
担当教員名 /Lecturer(s)	山北　佳宏
居室 /Office	東1-113号室
公開E-mail /e-mail	yamakita 123 uec ac jp [123を@にしてください]
授業関連Webページ /Course website	qpcrbk.es.uec.ac.jp
更新日 /Last update	2022/01/25 07:50:09	更新状況 /Update status	公開中 /now open to public

講義情報/Course Description

主題および 達成目標（2,000文字以内） /Themes and goals（up to 2,000 letters）	■主題 物理化学は、物質の基本単位である分子を対象に、先端技術を使って実験や計算を行い、物質の性質を分子レベルで探究する学問である。実際の研究は基礎理論と理論計算に強く支援されている。本講義では、(1) 近年広範に利用されている量子化学計算の基礎を学び、(2) 電子・振動遷移に関する基礎理論を習得し、(3) ナノ・機能・生体関連物質に関する先端的な分析法を学ぶ。 Physical chemistry is an academic area in which the molecule, the fundamental building blocks of the matter, are studied by experiments and calculations using state-of-art techniques to study the characters of materials at the molecular level. In practice, researches are supported strongly by basic principles and theoretical calculations. In this class, the student will learn (1) quantum chemical calculations which are widely used in recent years, (2) basic theory dealing with electronic and vibrational transitions, and (3) state-of-art analytic methods for nano, functional, and bio materials. ■達成目標 ・量子化学計算の用語や実用方法を理解する。 ・光と分子の相互作用の原理（光学選択則、群論等）を理解する。 ・ナノ・機能・生体物質に用いられる非光学的分析法を知る。 - Understand technical terms and practical use of quantum chemical calculations - Understand the principles of light-molecule interaction (optical selection rules, group theory etc.) - Learn about non-optical analytic methods for nano, functional, and bio materials
前もって履修 しておくべき科目（1,000文字以内） /Prerequisites（up to 1,000 letters）	なし N/A
前もって履修しておくこ とが望ましい科目（1,000文字以内） /Recommended prerequisites and preparation（up to 1,000 letters）	化学概論第一（元素の周期性や電子論の基礎） Principles of Chemistry I (basic knowledge on the periodicity and electron theory of elements)
教科書等（1,000文字以内） /Course textbooks and materials（up to 1,000 letters）	■教科書 特に指定しない｡資料を授業で配布する（目的に合わせて、下記のような参考書で補う）。 A particular textbook is not specified. Referencing materials will be provided. ■参考書 ・新版すぐできる量子化学計算ビギナーズマニュアル，武次徹也，平尾公彦，講談社（978-4061543881） ・新しい量子化学（上），A. Szabo, N. S. Ostlund，東京大学出版会（978-4130621113） ・大学院物理化学（上），妹尾学，廣田襄，田隅三生，岩澤康裕，講談社（978-4061533394） ・大学院講義物理化学I，幸田清一郎, 染田清彦, 阿波賀邦夫, 小谷正博，東京化学同人（978-4807908004） ・Introduction to Computational Chemistry, F. Jensen, Wiley（978-0470011874） ・マッカーリ・サイモン，物理化学(上) 分子論的アプローチ，東京化学同人（978-4807905089） ・量子化学，大野公一，裳華房（978-4785334192） ・分子の対称と群論，中崎昌雄，東京化学同人（978-4807900862） ・光電子分光法，J.H.D. Eland，学会出版センター（978-4762263392） ・実験化学講座第5版（分光上：9），日本化学会編，丸善（978-4-621-07308-7） ・実験化学講座第5版（分光下：10），日本化学会編，丸善（978-4-621-07309-4） ※授業でも適宜紹介します。他の参考書についてはお尋ねください。 I will mention some books in the class. Please request information about other references.
授業内容と その進め方（2,000文字以内） /Course outline and weekly schedule（up to 2,000 letters）	実際の量子化学計算で必要な基礎知識を学んだ後、光と分子の相互作用のうち特に遷移確率（スペクトル強度）と時間的変化の基礎理論について学ぶ。また、最新の物理化学研究の例を紹介し、その応用と将来について考える。 １．　 分子軌道法（１）：シュレーディンガー方程式・変分原理 ２．　 分子軌道法（２）：平均場近似・ＳＣＦ法 ３．　 分子軌道法（３）：電子相関・ＤＦＴ ４．　 分子軌道法（４）：分子振動と非調和性 ５．　 分子軌道法（５）：化学反応経路 ６．　 光と分子の相互作用（１）：遷移の時間依存性 ７．　 光と分子の相互作用（２）：光遷移の摂動論 ８．　 光と分子の相互作用（３）：反応過程と遷移確率 ９．　 光と分子の相互作用（４）：分子の対称性と群論 10．　 光と分子の相互作用（５）：量子化学計算 11．　 ナノ構造の物理化学（１）：レーザー分光 12．　 ナノ構造の物理化学（２）：電子分光・電子物性 13．　 ナノ構造の物理化学（３）：質量分析 14．　 ナノ構造の物理化学（４）：分子線実験 15．　 ナノ構造の物理化学（５）：表面・界面 ※内容や順番を変更することがあります。 After learning the basic knowledge required for actual quantum chemical calculations, one will study the basic theory for light-molecule interaction, in particular transition probability (spectral intensity) and time-dependent behaviors. Recent examplesdof physical chemistry research will be presented, and their applications and outlook will be discussed. 1. Molecular orbital method (1): Schroedinger equation, variational principle 2. Molecular orbital method (2): Mean-field approximation, SCF method 3. Molecular orbital method (3): Electron correlation, DFT 4. Molecular orbital method (4): Molecular vibration, anharmonicity 5. Molecular orbital method (5): Chemical reaction pathways 6. Light-molecule interaction (1): Time dependence of transition 7. Light-molecule interaction (2): Perturbation theory for optical transition 8. Light-molecule interaction (3): Reaction process and transition probability 9. Light-molecule interaction (4): Molecular symmetry and group theory 10. Light-molecule interaction (5): Quantum chemical calculations 11. Physical chemistry of nanostructures (1): Laser spectroscopy 12. Physical chemistry of nanostructures (2): Electron spectroscopy, electronic properties 13. Physical chemistry of nanostructures (3): Mass spectrometry 14. Physical chemistry of nanostructures (4): Molecular beam experiments 15. Physical chemistry of nanostructures (5): Surface and interface NB: The chapters are subject to change. The lecture is type II if there is a Japanese student who wish Japanese explanations. Written materials are given in Japanese with English annotations.
実務経験を活かした 授業内容 (実務経験内容も含む) /Course content utilizing practical experience	筆者は、物理化学の専門家です。有機導電性物質の電気的性質への興味から研究を始めました。現在は世界唯一の装置でアミノ酸とナノ炭素の振動電子状態を研究し、質量選別クラスターの化学反応の研究もしています。これらの経験をもとに、学生が最初に疑問に思う要点について演習を通じてわかりやすく説明します。 My expertise includes physical chemistry. My research initiated with interest in electronic properties of organic conducting materials. Currently, we study vibrational and electronic structures of amino acids and nanocarbons, and chemical reactions of mass-selected clusters by using custom made apparatuses and computing programs. Based on these practical experiences, I will try to explain important points concisely about which the student may wonder why through practices in the class.
授業時間外の学習 （予習・復習等）（1,000文字以内） /Preparation and review outside class（up to 1,000 letters）	/Preparation and review outside class 授業内容の項目を見て興味のある事項を調査して予習する。聞きなれない事柄が多い場合は、授業の復習に重点を置いて勉強して欲しい。講義ノートを見返し、関連する参考書で復習することを薦める。 Inspect the topics of the class beforehand and prepare questions related to your interest. If there are so many unfamilier knowledge, study them afterwards. In such a case review your notebook and class materials, and consult the recommended references.
成績評価方法 および評価基準 （最低達成基準を含む） （1,000文字以内） /Evaluation and grading （up to 1,000 letters）	■評価方法 授業への出席、授業内演習、期末レポートをもとに、以下の配点で総合的に評価する。期末レポートは、本講義あるいは分子分光学に関係する研究論文についてのレポート課題とする。 成績評価（100%） ＝ 出席・授業内演習（50%）＋ 期末レポート（50%） ■評価基準：以下の事項の理解ができていること。 ・多電子の空間分布の表し方を理解している。 ・平均場近似とＳＣＦ法を理解している。 ・量子化学計算で用いられるアルゴリズムの概略が説明できる。 ・光学遷移の数式的表現に関する知識を有している。 ・準位と対称性の表記法を理解できる。 ・基本的な式の理解や導出過程の追跡はできること。 ・履修者自身に関わる量子化学と分光学に関する学術論文を理解できる。 ※高度な式の導出はできなくてもよい。 ※真空実験に関する知識は必須ではない。 Evaluation is made based on attendance to the class, exercises in the class, the final report using the following weights. The final report is concerning to review a research paper in connection with the lecture or molecular spectroscopy. Score (100%) = attendance/exercise (50%) + final report (50%). The standard requirements are the following: - Understanding the representation for the spatial distribution of many electrons - Understanding the mean field approximation and the self-consistent field (SCF) method - Able to explain the overall scheme of algorism for quantum chemical calculations - Knowledge about mathematical formulae for optical transition - Understanding the symbols for state and symmetry - Able to understand the elementary formulae and follow their derivations NB: Derivation of high-level formulae is not required. NB: Technical knowledge on vacuum experiments are not essential.
オフィスアワー： 授業相談（1,000文字以内） /Office hours（up to 1,000 letters）	東1号館・1階・113号室、火曜5限。この時間に都合が付かない場合でも、質問等にはできる限り相談に応じますので、気軽にお訪ねください。 Building E1, Ground floor, Room 113; Period 5 (16:15 - 17:45), Tuesday. Even if the office hours are not convenient for you, I will try to accept questions or consultation upon your request or visit.
学生へのメッセージ（1,000文字以内） /Message for students（up to 1,000 letters）	分子の世界から見た光・電子に関する物理化学的な研究を基礎から応用まで解説します。有機物質の発光波長、生体機能のメカニズム、電子回路における電気抵抗などの性質には分子レベルの専門知識が関係しています。本講義では、とくに電子状態についての量子化学計算と光学遷移の基礎、そして光学的ではない先端実験についてわかりやすく解説します。 The molecular world of physical chemistry research regarding the photon and the electron from the basic to applications will be introduced to you. The expertise at the molecular level is concerned about various characters of substances including emission wavelength of organic substances, mechanisms of biofunctions, electric resistivity. In the class, I will introduce you to quantum chemical calculations, basic for optical transitions, and non-optical advanced experiments.
その他 /Others	なし N/A
キーワード /Keywords	量子化学計算、Gaussian、選択律、点群、基準振動、赤外、ラマン、レーザー分光、電子分光、質量分析、真空技術、分子線、走査トンネル顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、核磁気共鳴(NMR)、電子スピン共鳴(ESR) quantum chemical calculation, Gaussian, selection rule, point group, normal vibration, infrared, Raman, laser spectroscopy, electron spectroscopy, mass spectrometry, vacuum technology, molecular beam, scanning tunneling microscopy (STM), atomic-force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), nuclear magnetic resonance (NMR), electron spin resonance (ESR)