京都大学ELCAS(エルキャス)

実施レポート

[基盤コース後期]物理

2017年2月4日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科5号館115号室

  • 当日の講師

    有川 敬 助教(光物性研究室)

  • チューター

    草場 哲、坂田 諒一

  • 実習の内容

    成果発表会の準備。二つのグループに別れ、それぞれで発表用の資料をパワーポイントを用いて作成。

  • 物理_実習風景パワーポイントで発表用資料を作成している様子
  • 物理_実習風景

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 私のグループではコヒーレント長と超伝導について発表することになった。今までこのような形式で発表することがなかったため、内容のまとめ方やプロジェクターのレイアウトなど慣れないことが多かった。自分では分かっていても発表するときには聴衆にわかるようにしなければならない。また、漠然とした説明はできても質問された際に正確に答えられなければならない。そう考えると更に調べなければいけないことがいくつも見えてきたように思う。大学院生の方や先生に沢山助言をしていただき何とか形としてはまとまった。将来はこれを自力でやらなければいけないのでいい経験になると思う。そして、他の分野の発表もとても楽しみになった。積極的に質問もできればいいなと思う。
  • 僕たちの班は主に、マイケルソン干渉計を用いたレーザーのコヒーレンス長の測定、結晶格子、分光器の三つを中心に発表することにした。多くのことを学んだので、その内容を12分で伝えるのを非常に難しく感じた。また、要点をふまえて発表する必要があると思った。実際に発表資料を作ったとき、なかなかパワーポイントを使って自分のつたえたいことがあらわせず、苦戦した。しかし、チーム全員で協力したため、何とか作り上げられた。それを先生方に見てもらうと、単位のアルファベットは斜体で書くことや、x軸、y軸がそれぞれ何を表しているか明記すること、話の内容ごとにわかりやすく章立てすることなど、沢山アドバイスをいただいた。これらを踏まえて、自分たちの活動を最大限伝えられるよう、頑張っていきたい。

2017年1月21日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 基礎物理学研究所

  • 当日の講師

    諏訪 雄大 特定准教授(基礎物理学研究所)
    榎戸 輝揚 特定准教授(宇宙物理教室/白眉センター)

  • チューター

    橋本 一彦、松本 達也

  • 実習の内容

    「相対性理論とブラックホール」という題材で講義を行った。まずは、諏訪によるスライドを用いた講義を行なった。その後、黒板を使って、微分、積分、微分方程式、場の概念、力学のポテンシャル問題、重場中における粒子の軌道についての講義を行なった。適宜、演習の時間を入れて、受講生たちに大学レベルの問題を解いてもらうようにした。その後、榎戸による、最新のブラックホール観測のスライドを用いたレクチャーおよび、諏訪による重力レンズ効果の紹介を行なった。

  • 物理_実習風景榎戸による講義
  • 物理_実習風景チューターが受講生に説明を行う様子
  • 物理_実習風景諏訪による説明の様子

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 今回は、実験によって理論を理解した前回とは異なり、実験ではなく数式で天体の角運動量や重力場などの理論を表して、一般相対性理論の一部を理解しようとした。自分には物理現象を数式で表す経験がまだあまりなく、扱う文字が多く、しかも積分を用いる数式変形は理解に時間がかかり、ついていけない部分もあった。それでも変形結果の式が表す意味がなんとなくでも分かったときには、物理現象を数式で表して計算する楽しさを感じられたように思う。 特に、重力場Φの微分、すなわち傾きが重力を表すという考え方を学んだとき、重力によって平面が曲がるイメージ図は何度か見たことがあったが、それも紙の上の文字で表せるのかと驚いた。初めは戸惑ったが、数式で表すと確かに重力の大きさを直接何かの文字で表すよりもしっくり来た。また、ブラックホールの中心から、ブラックホールの引力に引き寄せられて脱出できなくなる「事象の地平面」までの距離を表すシュバルツシルト半径についても、これまでは、そんなものがあるのか、と思っていた程度であったが、天体からの脱出速度を表す式vesc=√2GM/Rに、脱出速度としてvesc=c、つまり光速を代入して求めた式であるのだと理解できた。さらに、地球をスーパーボールの大きさまで圧縮したら地球が重力崩壊を起こしてブラックホールの大きさになると聞いたことがあったが、この話もやはり脱出速度の式に地球の質量Mを代入して求められるのだと分かった。今まで豆知識だったものが、実際に数式で表されると、急に説得力を持ったように感じる。 今回の実習は特に難しい実習だったが、宇宙飛行士を目指す自分には将来大きく関わるだろうから、しっかり数学と物理を学習して、確実に自分の力にしたいと思った。ぜひ微分積分と物理を確実に勉強して、再び今回の一般相対性理論の問題に挑戦したい。
  • 一般相対性理論のうちの1つの式について、その式を導く過程を説明していただきました。実験を行わず、思考実験と式だけで物理法則を見つけ出す理論物理学についての理解が深まりました。途中、何回にもわたって微積分を用いていたことから、物理における微積分の重要性が分かりました。また、ブラックホールの特異性についても講義を受け、安定した軌道を持たない公転半径が存在するというケプラーの宇宙法則に当てはまらないという異常性は興味深い話でした。

2017年1月7日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科5号館115号室

  • 当日の講師

    石田 憲二 教授(固体量子物性研究室)、北川 俊作 助教(固体量子物性研究室)

  • チューター

    真砂 全宏、河村 健志、仲嶺 元輝

  • 実習の内容

    前半は電気抵抗について説明した後、精確な電気抵抗測定、色々な物質の電気抵抗の温度依存性の測定を実践した。後半は、超伝導について簡単な講義をした後、ゼロ抵抗、マイスナー効果による磁気浮上の実験を行った。

  • 物理_実習風景講義風景
  • 物理_実習風景電気抵抗測定実験

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • テーマの通り、今回は学校で教えられていたことを覆されることがあった。そのひとつが4端子法だった。学校では抵抗を測るときは2つの端子で測ることしかしなかった。しかし線と試料の間には接触抵抗があったり、熱起電力がはたらいたりしているため、正確に測れないのである。線に抵抗があることには気づきそうなのに今まで気づかなかったことに驚いた。また、金属と半導体、絶縁体の違いを電気の流れやすさと教えられていたが正確にはそうではなく、温度依存性によって分けられているという講義もあった。実際に銅線を使って抵抗を測定するとその通りであった。自分が持っている知識をもっと深めていきたいと思った。1番面白みを感じたのは超伝導の実習だった。今回液体窒素を初めて使うことができた。また、BSCCO系の試料を使って抵抗が0に近づくグラフを見た。テレビで見たり本で読んだりしたことがあっても実際に見て体験するということはすごく大切だと感じた。液体窒素と超伝導物質、磁石を使ってマイスナー効果の実験をしたときに、自分が疑問に思ったことを確かめたり、質問したりすることは面白くだったと思う。
  • まず資料の抵抗を正確に測定する方法を学びました。私は、2端子法でしか測定したことがなかったので、それ以外の方法が用いられていることに驚きました。4端子法では、電圧計の抵抗が非常に大きいことを利用して、リード線や、それと資料との接触抵抗に電流をほとんど流さないようにすることで、資料以外の抵抗がゼロの状態をつくり、正確な測定が可能になることが理解でき、とても考えられていて、素晴らしく思いました。また、それだけではなく、電流が流れていない状態でも、わずかに発生している熱起電力も除去して考えなければならないことも学び、少しの誤差でも気にして、より正確に実験することが大切だと思いました。また、物体の温度を下げることで、熱運動の影響が小さくなり、電子や原子の固有の性質、またその集団の固有の性質があらわになるので、そこに魅力を感じました。最後に、マイスナー効果を利用し、「磁束のピン止め」と呼ばれる現象を、実際に超伝導体や磁石を用いて観察しました。普段なかなか学べないことをたくさん学べておもしろかったです。

2016年12月17日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科5号館115号室

  • 当日の講師

    吉川 豊 助教(量子光学研究室)

  • チューター

    福島 由章、山中 修也

  • 実習の内容

    最初に講義で電磁波やレーザーに関する基礎知識を勉強したのち、回折格子フィルムを用いた簡易分光器を製作した。それを用いて各種光源(蛍光灯やレーザーなど)のスペクトルを観測し、分光器の原理や光学素子の使用法などを学習した。また、簡易分光器で太陽光のスペクトルを観測し、その中にフラウンホーファー線が現れることを確認した。この暗線の理解を通じて、原子の構造と光の吸収・放出について学習した。最後に、その応用実験としてルビジウム原子のレーザー冷却装置を見学し、200マイクロケルビン程度まで冷却された原子集団の蛍光を観測した。

  • 物理学_実習風景講義中の様子
  • 物理学_実習風景簡易分光器の製作

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 主に原子と光、偏光板、光の粒子性の3点について履修しました。原子と光では簡易分光器を作成し、太陽と蛍光灯を例にし、原子による光の放出と吸収について学びました。自然光である太陽光から地球の大気だけででなく太陽の大気に含まれる原子によって吸収されたスペクトルが見え、前期の講義で学んだトランジット法についての理解が深まりました。偏光板ではその性質を用いた簡易的な実験とその原理の解説を受け、日常での応用を学びました。光の粒子性ではレーザー冷却について学び、原理についての理解を深めました。
  • 電磁波や光で見る原子について、たくさんのことを学べました。レーザーの特性などは、以前の活動で身につけた知識も一緒に考えられました。まず、電磁波とは何かについて講義を受けました。電場と磁場の考え方やその表し方、偏光、干渉、回折格子など、たくさんのことを知ることができました。次に、実際に回折格子を作りました。実際に作ってみると、スリットの向きと回折格子の向きが一致しないと、複数の光が回折し、うまく実験できないなどの問題点も見つけられました。また、実際にそれを使って光を見ました。自然光は電灯などの光と違って、スペクトルの変化がなめらかであり、また、その中に、黒い縦線が入っているのが見えました。縦線は、大気中の物質が、ある特定の波長の光を吸収していて、それが検出できないためだとわかりました。新しい知識をたくさん得られて、おもしろかったです。また、偏光板の透過光も観察しました。偏光板を2枚重ねて、それらを直角にすると光が見えなくなったり、その間にもう一枚の偏光板を、角度を変えて入れると見えたりといった様々なことを自分で試してみて、理解することができました。最後に原子のことも知り、光の粒子性やレーザー冷却と磁気光学トラップなど、初めて知ることが多く、特に磁気光学トラップを見てみて、模式図とは裏腹に、実際はとても複雑な装置で驚きました。良い経験ができました。

2016年12月3日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科5号館211号室、023号室

  • 当日の講師

    松田 和博 准教授、永谷 清信 助教(不規則系物理学研究室)

  • チューター

    萩谷 透、渡部 真弓

  • 実習の内容

    「電磁波(光)を用いた物質のミクロ構造決定」の実習として、電磁波(光)の性質について簡単な講義を行った後、2種類の簡単な実習を行った。1つ目の実習では、光の回折・干渉を理解するための実験として透過型回折格子とレーザーを用いた光の回折実験の実習を行った。2つのグループに分かれて与えられたレーザーの波長の情報を元に、準備された回折格子の格子間隔を計測し、良い制度で格子間隔をえることに成功した。2つ目の実習は、x線回折装置によって測定されたシリコンのx線写真から、結晶の格子定数を計算した。チューターの大学院生2名の指導の元に、シリコン結晶の結晶型などを学び、それぞれが実際に計算を行って原子間距離の値をえることが出来た。この他に、関連する最近の研究の紹介なども講義で行った。

  • 物理学_実習風景講義を受講中の様子
  • 物理学_実習風景実験室でのレーザーを使った回折実験
  • 物理学_実習風景大学院生のチューターによるX線装置の説明

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 積分が何においても必要だということ。一見難しそうなこともよく見れば基礎知識だけで成り立ってたりすること。不規則系でも規則的な解析像が見られること。フェムトがよく使われていること
  • 電磁波の軌跡や角度を幾何学的に捉えて計算し、1つ1つの値を式に代入するという実習をした。このことは物理学では当たり前のことなのだが、1年で物理を習わない自分には慣れない作業で、図形や数字の意味を理解するのにかなり時間がかかった。それでも、途中からしっかり理解できたので、一つ成長できたと思う。同じグループの友達はみんなすぐに理解して計算を進めていたので、自分も物理の勉強にしっかり取り組んで、来年には追い付こうと思った。 回折格子の格子の幅は、公式に光の波長と三角比を代入して求められるということを学んだ。今回三角比を用いたときに、先生が、三角関数は物理でよく使うとおっしゃっていた。実際、学校の先輩の課題研究で、風と傘の形の関係や水切りの強さなどについての研究があったが、どちらも三角比を用いていた。自分も来年には課題研究で物理の研究をしたいと思っているので、数学で習ったことを深めて、いろいろな場面ですぐ使えるようにしたい。 また、可視光線を用いて回折格子の幅を計算できるのと同じような仕組みで、X線を用いて原子の結晶構造や格子定数を計算できるといことを体験した。空間内の原子の位置を面でとらえるために、ミラー指数h,k,l(0≦h,k,l≦1)で表すことも学んだ。これらの計算は学校でもいずれ習うのだろうが、こういった機会に実際に体験して学べると、より理解できるように思う。 最後の方に学んだ、液体やガラスなどの不規則体結晶構造が「長距離秩序はないが、短距離秩序はある」状態のイメージがなんとなくわかった気がする。全体を見たらバラバラに見えるが、一部を取り出したときの幅や距離は平均値に近づいていくという。繊維研究にも関わるらしい。普通は全体を見れば見るほど平均や秩序が見えてくるものなのに、その逆になるのが面白いと思った。 X線解析からたんぱく質や、液体、ガラスの原子の構造を調べることから、やはり生物や化学に物理、そして数学が深く関わっているのだと改めて感じた。だから、物理の勉強は、特に楽しんで、深いところまで学習したい。

2016年11月19日

  • 実施場所

    宇治キャンパス レーザー物質科学棟

  • 当日の講師

    井上 峻介 助教(化学研究所 附属先端ビームナノ科学センター)

  • チューター

    古川 雄規

  • 実習の内容

    ナノメートルの世界を可視化・体験してもらうために、鏡や半透明鏡、手動ステージなどを用いて、マイケルソン干渉計を組み立ててた。構築したマイケルソン干渉計を用いて、レーザーの縦方向のコヒーレンスを観察し、レーザーの種類を変えることで、コヒーレンスがどのように変化するかを観察した。複数のレーザーのコヒーレンス長を評価するため、マイケルソン干渉計の2つのアームの光路差を変化させた時の明瞭度を測定した。最後に、理論的なコヒーレンス長の予想値と実験結果を比較してもらい、コヒーレンスが異なる原因について解説した。

  • 物理学_実習風景マイケルソン干渉計を組み立て
  • 物理学_実習風景干渉計を使ってコヒーレンス長を測定

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • レーザー(英語でLASOR,Light Amplification of Simulated Radiation「輻射の誘導放出による光増幅」)は、位相がそろっている波の光である。言い換えれば、レーザーはコヒーレントであり、同じ時間で位置の違う波や、同じ位置での異なる時間での波の振幅のタイミングが等しい。このことから、レーザーは波長のブレが少なく(単色性が高い)、真っ直ぐ進む。これを利用して、レーザーは月との距離の計測や、物質の微細な加工、絶対温度に近い低温までの冷却に用いられるのだと学んだ。この話で、物理学はものすごく小さなミクロの世界の運動や法則を、私たちの身の回りの世界や宇宙規模のマクロの世界と関連付ける、とても面白いものだと感じた。また、今回学んだことの他に、レーザーは医療に用いられると聞いたことがある。そうだとしたら、物理学や工学の内容が生物学に応用されているということだ。今まで物理学は自然や宇宙の姿を探求するもので、人の命を救うことにはあまり関わっていないと考えていたが、そんなことはないのだと学んで、うれしく思った。そして、柔軟にさまざまな分野や物事を学ぶことが大切だと考えた。 今回の実験で測定したコヒーレンス長は、レーザーを前後にずらしたときにコヒーレントになる範囲の長さだと捉えた。測定方法として、マイケルソン・モーリーがエーテルを観測しようと実験したときに用いたマイケルソン干渉計で、光が干渉した際に観測できる干渉縞の確認できる範囲を測定した。干渉縞の確認できる範囲とは、鮮明度Vの最大値からその半分の大きさまでの範囲とした。結果、半導体レーザーでは約0.3~0.4㎜のコヒーレンス長が確認されたが、ネオンヘリウムレーザーでは鮮明度がほぼ変化せず、コヒーレンス長が確認できなかった。ネオンヘリウムレーザーは、単色性がとても高く、コヒーレンス長が100mほどになるらしい。 前回も今回も、物理学の実習でコンピュータを使った。今後の実習や、大学での研究でもきっと使う機会は多いだろうから、少しずついろいろな使い方を学ぼうと思う。また、反省点として、危険だと分かっていたはずなのに、うっかりレーザーの反射光を確認しようと覗き込みそうになった。失敗すれば事故につながる危ない実験をするのだと再認識して、これからの研究も楽しく頑張りたい。
  • 今回の実習では、レーザーの特徴である干渉のしやすさ、コヒーレンスについてと、レーザーの種類ごとのコヒーレンス長の測定を行いました。結果は気体レーザーが半導体レーザーよりもコヒーレンスが高かったものの、インコヒーレントになる要因である原子の熱運動という面で考えると気体レーザーの方がインコヒーレントになると予想されるべきなのに対し、現実と違うのはなぜかという疑問が生まれました。また、実験結果を分析し、レポートに自分なりの言葉でまとめることの重要性を再認識しました。

2016年11月5日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科5号館東棟

  • 当日の講師

    川畑 貴裕 准教授(原子核ハドロン物理学研究室)

  • チューター

    武田 朋也、高橋 祐羽、稲葉 健斗

  • 実習の内容

    はじめに、原子核と放射線についての講義を行い、そのあと、NaI検出器とγ線源を用いて放射線計測実習を行った。計測実習では137Cs, 133Ba, 22Na, 60Co線源を用いて検出器のエネルギー較正を行ったあと、アルミニウム、真鍮、鉛の遮蔽体を用いて、γ線の減衰長を測定した。また、自然放射線の測定を行い、核種の同定を行った。最後に、理学部5号館東棟の小型中性子源を見学した。

  • 物理学_実習風景エネルギー較正の測定データをホワイトボードに記録
  • 物理学_実習風景遮蔽体を用いてγ線の減衰長を測定
  • 物理学_実習風景グラフ用紙に測定結果をプロットし、減衰長を算出

今回の活動を通して学んだこと(抜粋)

  • 放射線と放射能は今まで似たようなものなのかと思っていたが放射線は放射性物質から出るもので放射能は放射線を出す能力のことである。放射線には様々な種類があり、その一つ一つが原子核の崩壊で発生する。そしてそれぞれの強さは違う。放射線は目に見えないが、MCAを使って電気信号に変換すると観測することができる。
  • まず放射線について、たくさんのことを学ぶことができました。放射線の種類と、それが発生する仕組み、放射線が人体に与える影響、放射線の減衰など、知らなかったことが多かったので、新しい発見ばかりで面白かったです。特に、ベータ崩壊を学んだとき、β⁻崩壊では、中性子が過剰な原子核から、電子・反電子ニュートリノを放出し、β⁺崩壊では、陽子が過剰な原子核から反電子・電子ニュートリノを放出して安定になると知って、電子や反電子が放出される仕組みはわかりましたが、なぜ電子と反電子ニュートリノ、反電子と電子ニュートリノという組み合わせで放出されるのか不思議に思ったので、そのことをより詳しく調べて、考えてみたいと思いました。また、ガンマ線を測定することもできました。実際に測定実験を行うことで、波高とエネルギーとの対応関係を知れ、ガンマ線が、物質中を通過し、それによって減衰している様子を見ることができて、とても良い経験となりました。研究施設や実験装置なども見ることができ、研究に没頭できるような素晴らしい環境の施設に驚きました。最後に、物質・反物質について、反物質のみが消滅した謎について、小林・益川理論のように、物質と反物質の性質の違いを示すことが今研究されていると知り、自分ももっと知識を増やして、それについて考えたいと思いました。

平成28年度 実施レポート

過去の実施レポート