Modern Physics for Scientists and Engineers（理工系のための現代物理学）

引用

Thornton, S. T., Rex, A., & Hood, C. E. (2021). Modern Physics for Scientists and Engineers (5th ed.). Cengage Learning.

章の要約

第5版は16の章からなる。Cengage は本書を、応用を強く重視した現代的で包括的なアプローチをとるものと説明している。重要な発見につながった実験を論じて学生に歴史的な視点を与え、物理学・工学専攻の学生のために量子論の確かな理論的基礎を築く。出版社はまた、組織が柔軟で、教員の好む順序で話題を教えられるとしている。

第1章：現代物理学の誕生

6つの節からなる。1890年代の古典物理学、気体分子運動論、波と粒子、保存則と基本的な力、物質の原子論、そして1895年の未解決の問題と新たな地平である。

第2章：特殊相対性理論

14の節からなる長い章である。エーテルの必要性、マイケルソン＝モーリーの実験、アインシュタインの公準、ローレンツ変換、時間の遅れと長さの収縮、速度の合成、実験的検証、双子のパラドックス、時空、ドップラー効果、相対論的運動量とエネルギー、現代物理学における計算、電磁気学と相対性理論を扱う。

第3–5章：量子物理学の実験的基礎／原子の構造／物質の波動性と量子力学 I

第3章は、X線と電子の発見、線スペクトル、黒体放射、光電効果、X線の発生、コンプトン効果、対生成をたどる。第4章は、トムソンとラザフォードの模型とラザフォード散乱から、ボーア模型とその成功と失敗、特性X線スペクトル、原子の励起へと進む。第5章は波動的な性質に移り、X線の散乱、ド・ブロイ波、電子散乱、波の運動、不確定性原理、確率とコペンハーゲン解釈、箱の中の粒子を扱う。

第6–8章：量子力学 II／水素原子／原子物理学

第6章はシュレーディンガー方程式、期待値、無限および有限の井戸型ポテンシャル、3次元の井戸、単振動子、障壁とトンネル効果を導入する。第7章は方程式を水素に適用し、その解、量子数、正常ゼーマン効果、固有スピン、エネルギー準位と電子の確率を扱う。第8章は原子の構造と周期表、全角運動量、異常ゼーマン効果を扱う。

第9–11章：統計物理学／分子と固体／半導体の理論とデバイス

第9章は歴史的概観から始まり、マクスウェルの速度分布と速さの分布、エネルギー等分配定理、古典統計と量子統計、フェルミ＝ディラック分布とボース＝アインシュタイン分布を扱う。第10章は分子の結合とスペクトル、誘導放出とレーザー、固体の構造的・熱的・磁気的性質、超伝導とその応用を扱う。第11章はバンド理論、半導体の理論とデバイス、ナノテクノロジーを扱う。

第12–14章：原子核／核相互作用と応用／素粒子物理学

第12章は中性子の発見から始まり、原子核の性質、重陽子、核力と安定性、放射性崩壊、放射性核種を扱う。第13章は核反応、反応の運動学と機構、核分裂と原子炉、核融合、特殊な応用を扱う。第14章は初期の発見、基本的な相互作用、粒子の分類、保存則と対称性、クォーク、物質の世代、標準模型を超える物理、加速器を扱う。

第15–16章：現代天体物理学と一般相対性理論／宇宙論：始まりと終わり

第15章は恒星の進化、銀河と暗黒物質の発見、一般相対性理論の原理とその検証、ブラックホール、重力波を扱う。第16章はビッグバンの証拠と理論、その問題点、宇宙の年齢、標準宇宙論モデル、将来を扱う。

主要概念

第1–5章：相対性理論と量子物理学の基礎

• ローレンツ変換：異なる慣性系での観測の関係。
• 時間の遅れと長さの収縮：測定される時間と長さの相対論的な変化。
• 黒体放射と光電効果：光の量子化を必要とした実験。
• 不確定性原理：ある組の量を同時に知ることの限界。

第6–11章：応用される量子力学

• シュレーディンガー方程式：井戸、振動子、障壁、水素に用いられる波動方程式。
• 量子数と固有スピン：水素原子の状態を記述するラベル。
• フェルミ＝ディラック統計とボース＝アインシュタイン統計：同種量子粒子の分布。
• バンド理論：固体と半導体の量子論的な説明。

第12–16章：原子核、素粒子、天体物理学、宇宙論

• 核分裂と核融合：エネルギーを放出する2つの核過程で、原子炉は別に扱われる。
• クォークと物質の世代：粒子のスペクトルの構造。
• 一般相対性理論とその検証：曲がった時空としての重力と、ブラックホール、重力波。
• ビッグバン宇宙論：ビッグバンの証拠と標準宇宙論モデル。

批判的分析

長所

• 歴史的文脈の中の実験。 出版社は各発見の背後にある実験を強調しており、目次もそれを示している。第1、3、4章の節は、波動力学が始まる前に、発見、スペクトル、散乱実験に費やされている。
• 段階的に築かれる量子論の基礎。 シュレーディンガー方程式には独立した章（第6章）があり、水素と原子物理学の章が続くので、分子、固体、原子核の後の章が頼る量子力学が段階的に積み上げられる。
• 幅広いが整理された範囲。 16の章には、半導体とナノテクノロジー、核反応と応用、加速器を含む素粒子物理学、そして一般相対性理論と重力波を含む天体物理学の独立した章がある。出版社は、順序を組み替えられるとしている。
• 新しい話題。 著者に Carol Hood が加わった第5版は、最新の研究を取り入れて更新されたと説明されており、目次には重力波と標準模型を超える物理が含まれている。

短所

• 量子力学が遅く登場する。 シュレーディンガー方程式が現れるのは、相対性理論、量子物理学の実験的基礎、原子の構造、物質波の章のあとの第6章である。それより早く到達したい教員は、柔軟な順序という選択肢を使って先に進むことになる。
• 後半の章は入門的な深さ。 原子核物理学は2つの章、素粒子物理学は1つの章、一般相対性理論を含む天体物理学は1つの章であり、そのどれについても後の科目が必要になる。
• コンパクトな原子物理学の章。 第8章は3つの節（原子の構造と周期表、全角運動量、異常ゼーマン効果）からなり、Krane の対応する章の7節と比べると、多電子原子とその応用の扱いはより簡潔である。

コースにおける位置づけ

これは2年次レベルの現代物理学の教科書で、このコースの書目に2冊ある中の1冊であり、もう1冊は Krane の Modern Physics である。両者はほぼ同じ範囲を扱う。Thornton、Rex、Hood は、半導体、素粒子物理学、一般相対性理論を含む天体物理学に別々の章を与え、統計物理学を原子物理学の後（第9章）に置く。Krane は統計物理学を分子の後に置き、半導体を含む固体を1つの章にまとめている。どちらを選ぶかは、これらの話題にどれだけの分量を求めるかと、入手できる形式で決めるとよい。

OpenStax の University Physics Volume 3 は、相対論と量子の考え方への、無料でより軽い入口であり、Taylor と Wheeler の Spacetime Physics は第2章より詳しく特殊相対性理論を扱う。第15章を超えて一般相対性理論を学ぶには、Schutz の A First Course in General Relativity が学部上級の、Carroll の Spacetime and Geometry が大学院の次の一歩になる。

本書の使い方

本書は、微積分を使う入門物理学と微積分を修めた、物理学・工学専攻の2年生を対象としている。Cengage は、第5版がオンラインの電子書籍としてのみ提供されており、更新された WebAssign コースが用意されていると述べている。授業でどちらの形式を使うか確認するとよい。

通年の授業なら、章を順に進める。1学期なら第1–8章（相対論から原子物理学まで）を扱い、学科の重点に応じて第9–11章（統計、分子、固体と半導体）と第12–16章（原子核、素粒子、天体物理学、宇宙論）から選ぶ。第1章は19世紀末の物理学の復習として素早く読んでよい。本書は実験から量子論を築いていくので、第5–7章の前に実験を扱う第3章と第4章を読み、練習には問題を使う。WebAssign コースには各章の一般問題と補足の多肢選択問題が載っている。