原子核物理学

原子核物理学

991217A

12PHEPN302

鈴木　克彦

SUZUKI, Katsuhiko

2026年度後期

2026年度

②Second semester

月曜5限

Monday, 5th period

理学部第一部　物理学科

Department of Physics, Faculty of Science Division Ⅰ

2.00単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

原子は原子核とその周りを運動する電子で構成されることはよく知られている。原子核は原子の中心に位置し、原子の1万分の１程度の大きさである。
原子以上のスケールの物理学と、原子核のそれの間には決定的な違いが存在する。よく知られた「４つの力」のうち日常生活では感じることのない「強い力」と「弱い力」が主役となって登場するのが原子核のスケールである。これらの力がどのような性質を持つか、自然界でどのような役割を果たすかを理解し、我々の物質を形作っている原子核についての理解を深めてもらいたい。

授業は基本的に対面授業で実施する。具体的な実施計画については、開講時（1回目の授業）で連絡する。

量子力学２で学んだ事項は前提として用いる。また統計力学の手法も頻繁に用いて計算を行う。同時期に開講している量子力学３や統計力学２を履修し、近似方法や散乱理論について理解することが望ましい。

本授業では、原子核の大まかな性質を理解することから出発し、その安定性、崩壊について記述する方法を理解する。
また宇宙物理学への応用、特に元素合成と宇宙の発展について理解することを目指す。
授業の後半では、相対論的な量子力学の方程式であるKlein-Gordon方程式、Dirac方程式を導入し、それらを用いて核力のメソン交換モデルを導入する。
パイオン交換ポテンシャル、重陽子などについては詳しく説明する。

本授業は本学科のディプロマ・ポリシー項目２に該当する。
本授業は本学科のカリキュラムポリシー項目７　専門科目」に該当する。
また物理学科ルーブリックの評価軸３「専門学力（現代物理学）」、評価軸４「問題発見、解決能力」に相当する科目である。

・原子核の巨視的な性質を理解し、液滴模型、殻模型などのアイデアを理解できる。
・核力のスピン、アイソスピン構造を理解し、それがもたらす原子核の飽和性について理解する。
・Big-bangおよび恒星における元素合成の流れを理解し、宇宙の発展と関係付けることができる。
・相対論的な量子力学の方程式の導出を説明し、解を求めることができる。
・原子核の崩壊の機構を理解し、強い力、電磁気力、弱い力のは働きについて説明できる。

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

量子力学1,2は履修してあること。また同時に量子力学3、統計力学２を履修することを強く推薦する。レポート課題は、それらの授業の授業内容を含むので注意すること。

小テストの実施　Quiz type test／ディベート・ディスカッション　Debate/Discussion／グループワーク　Group work

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準備学習は必要としないが、授業後に指示された課題を行こと。

授業内で2回実施する確認テストの得点を60%、授業でのworkout exampleの提出、質問など課題について50％で成績を算出し、60％以上を合格とする。遅刻・欠席については減点し、総授業時間の1/3を超えた場合は、評価を行わない。


[フィードバックの方法]
小テストの結果はletusで確認できる。

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

N

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://gomykits.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

letusに授業資料を掲載する。
参考書としては、B. ポッフ 等 「素粒子・原子核物理入門 」（柴田訳、丸善出版）

[項目と内容]
1 原子核とは
・原子と原子核は量子力学的束縛系としてどのように異なるのか理解する。
・原子核の大きさ、束縛エネルギー、崩壊・遷移など特徴的な性質について理解する。
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

2 原子核の簡単な模型（１）
・液滴模型を理解し、その物理的理由を説明できる。
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

３ 原子核の簡単な模型（２）
・殻模型を理解し、魔法数の起源を説明できる。
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

４ 核融合と核分裂（１）
・α、γ 崩壊が起こる仕組みについて理解できる。
・トンネル効果を用いてα崩壊を説明できる。
・電磁遷移を用いてγ線を理解できる。
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

５ 核融合と核分裂（２）
・弱い力の性質について理解できる。
・パリティの非保存について実験事実を用いて説明できる。
・核分裂、核融合の経路を説明できる
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

6 核融合と核分裂（3）
・核分裂、核融合の反応やそれらが起こる状況を説明できる
・放射線量や被曝について基礎知識を理解し、他人に説明できる。
達成度の確認
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

7 Big-bang Nucleosynthesis
・初期宇宙の時間発展を素粒子の統計力学を用いて説明できる。
・宇宙初期に原子核が生成された原子核の種類や、その仕組みについて理解できる。
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（必須）（1時間）

8 Stellar Nucleosynthesis and beyond
・恒星内で元素が合成される仕組みについて理解する。
・超新星爆発においてニュートリノが果たす役割について理解する。
・超新星爆発、中性子星合体における元素合成について説明できる
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（必須）（1時間）

9 相対論的量子力学（１）
Klein-Gordon方程式、Dirac方程式の導出過程を説明できる。
流れ密度の保存則の導出ができる。
[復習]l復習レポート1提出（1時間）

10 相対論的量子力学（２）
Dirac方程式の自由粒子解が導出できる。
負エネルギー解の解釈を説明できる。
[復習]復習レポート2提出（1時間）

11 相対論的量子力学（３）
Dirac方程式の共変的な形で表すことができる。
独立な行列要素のDirac構造を理解し、計算することができる。
[復習]復習レポート3提出（1時間）

12 メソン交換力と湯川ポテンシャル
・粒子の交換により相互作用の記述ができることを説明できる。
・メソンの質量と力の到達距離の関係を理解し、計算できる。
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

13 アイソスピン
・陽子と中性子の間の対称性を認識し、アイソスピン導入の意味について説明できる。
・スピン、アイソスピンに依存する核力の構造をDirac方程式を用いて計算できる。
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

14 重陽子
・スピン、アイソスピン構造と核力の符号の関係を計算できる。
・重陽子の波動関数を求めるシュレディンガー方程式を導出
[復習]letusでの復習課題２問、質問事項の入力（1時間）

15 高密度核物質
・統計力学を用い自由フェルミ粒子系の状態方程式が計算できる。
達成度の確認


[授業外学習の課題]
・参考図書を読み素粒子、原子核の一般的知識を理解すること。

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Mathematica

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