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ミニマム１００問

（注：以下は物理学科の学生を念頭に作ったものなので、化学応用工学科の学生には聞き慣れない項目が多いと思います。あくまで今後理解して欲しい項目と見なしてください。）

岡村グループで研究を行う上で、物性化学および実験技術（光学、赤外分光、真空、低温、高圧ガスなど）について、学生に 是非理解して欲しい基本事項を１００問のクイズにしました。（実験技術の場合、基礎知識の欠如は 身の危険につながる場合があり、また高価な装置を壊してしまう可能性もあります。）

研究室の学生諸君へ：ウィキペディアを見ただけでわかった気になってはいけません！ もちろん大いに見ていいのですが、必ず自分で考えて理解して下さい。（そうでないと直ぐに忘れるし、ウィキペディアの記述が正しいとは限りません。 本当かどうか、よく考えて下さい。）
光物性、物性の基礎
  1. 金属と絶縁体のバンド構造の違いを説明し、その光スペクトルの概要を説明せよ。
  2. 絶縁体では人間の目に対して透明なもの（例えばダイヤ）と不透明なもの（例えばシリコン）がある。この違いが生じる理由は？
  3. バンド間遷移とは何か？
  4. 直接遷移と間接遷移とは何か？どちらがなぜ起こりやすいか？
  5. 光学伝導度とは何を反映した量か？電子状態の議論に誘電率や屈折率でなく光学伝導度を用いる利点は何か？
  6. ローレンツ・モデルとは何か？このモデル対する光スペクトルの概要を説明せよ。
  7. ドルーデ・モデルとは何か？このモデル対する光スペクトルの概要を説明せよ。
  8. ドルーデモデルで物質の電気伝導度は何で決まるか。
  9. プラズマ振動、プラズマ反射、プラズマ振動数とは何か？
  10. 電子の散乱時間が変わると光スペクトルにどのような変化が起きるか。ドルーデモデル、ローレンツモデルのそれぞれについて説明せよ。
  11. 屈折率nで吸収のない物質に真空中で光を垂直入射した場合、反射率を式で表せ。
  12. 上の問で吸収がある場合はどうなるか。
  13. クラマース・クローニッヒ（Kramers-Kronig）の関係式とは何か？何に使うか？
  14. ブロッホの定理とは何か？説明せよ。
  15. 物質の結晶構造を決定するにはどのような実験を行えばよいか？
  16. 磁化率（帯磁率）とはどのような物理量か？
  17. キュリー（キュリー・ワイス）常磁性とパウリ常磁性の違いは何か？　それぞれについて磁化率の温度依存性はどうなるか？
  18. 物質の比熱について、電子比熱と格子比熱の違いを説明せよ。それぞれの温度依存性はどうなるか？
  19. 10 K以下の低温で電子比熱の温度変化を測ると、どんな情報が求まるか？
  20. 単純な金属について、電気抵抗の温度依存性を説明せよ。温度依存を決める最も大きな要因は何か？
  21. 絶縁体（半導体）について、電気抵抗の温度依存性を説明せよ。温度依存を決める最も大きな要因は何か？
  22. 絶縁体、半導体におけるバンドギャップ（エネルギーギャップ）の大きさを決定するにはどのような実験をすればよいか？　挙げられるだけ挙げよ。
  23. アレニウスプロット、活性化エネルギーとは何か？
  24. 物質中における自由キャリヤ（電子or正孔）の密度を調べるにはどのような実験を行えばよいか？
  25. 光電子分光とはどのような実験技術か？手法と得られる情報の概要を述べよ。
  26. 反射率や光学伝導度などの光学測定から得られる情報と、光電子分光から得られる情報を比較し、両者の違いを説明せよ。
  27. ラマン分光（ラマン散乱）とはどのような実験技術か？手法と得られる情報の概要を述べよ。
  28. 音響フォノンと光学フォノンの違いを説明せよ。（イオンの振動様式と分散の両方について）赤外分光で検出できるのはどちらか。
  29. 赤外スペクトルにおいてフォノンの信号はどの波数領域にどのように現れるか？
  30. 赤外スペクトルにおけるフォノンの信号は（フォノン選択則が赤外活性として）金属では現れにくく、よい絶縁体になるほど明確に現れやすい。その理由は何か？
  31. 単結晶(single crystal)と多結晶(poly-crystal)の違いは何か？
  32. 焼結体(sintered material)とは何か？（どのように合成されるか？単結晶か多結晶か？）
光学・赤外分光技術
  1. レンズの公式と焦点距離について説明し、焦点距離と倍率の関係を説明せよ。
  2. レンズの収差とは何か？特に色収差とは何か？
  3. 広い振動数範囲に渡る赤外分光では一般にレンズではなく凹面鏡で集光を行う。その理由は？
  4. 色収差以外の収差（単色光でおきる収差）について説明せよ。
  5. 放物面鏡とはどのような鏡か？球面鏡と比べた利点は何か？
  6. 赤外顕微鏡で用いられるシュバルツシルト鏡（カセグレン鏡）の原理を説明せよ。
  7. 複素屈折率N=n+ikをもつ物質に光が垂直入射する時、その反射率を式で表せ。（ただし入射側の媒質は真空とは限らない）
  8. スネルの法則について説明せよ。
  9. 空気、水、氷、ガラス、ダイヤモンドの可視光に対する屈折率は？
  10. 全反射とは何か？
  11. 光の反射率は垂直入射からのずれが大きくなるとどうなるか？試料面に垂直な面内の偏光（p偏光）と平行な偏光（s偏光）に分けて答えよ。
  12. ブリュースター角とは何か？
  13. 干渉縞とは何か？
  14. レーザー光の特徴を３つ挙げよ。
  15. レーザー光を用いた実験をする際に安全に関して注意すべき事は何か？
  16. 光の回折とは何か？回折限界とは何か？
  17. 光ビームをレンズや凹面鏡で集光して得られるスポット径の最小値は何でどう決まるか？
  18. 回折格子で分光を行う原理を述べよ。
  19. 回折格子分光器の構造と仕組みを簡単に説明せよ。
  20. フーリエ分光(FT-IR))の原理を述べ、回折格子を用いた分光に対する優位性を３つ述べよ。
  21. FT-IRにおける分解能と測定波数範囲は何で決まるか？
  22. シンクロトロン放射光(SR)の発生原理およびその特徴を述べよ。
  23. SRはどのように偏光しているか？（偏向電磁石からの放射について）
  24. 振動数がνの光に対する光子エネルギーと運動量はいくらか？
  25. 可視光のおよその波長範囲、および光子エネルギー範囲を述べよ。
  26. 光子エネルギー1 eVは波数cm-1に相当するか？
  27. 1 eVを温度に換算するとおよそ何Kか？（1 meVでは？）
  28. 100 cm-1, 1000 cm-1, 10000 cm-1はそれぞれ波長に換算すると何μmか,
  29. 遠赤外、中赤外、近赤外、可視の各領域の大まかな波数範囲を述べよ。
  30. 上の各領域および紫外領域で使われる光源、ビームスプリッター、窓材、検出器をそれぞれ挙げよ。（これは日々研究室で実験しているうちに自然に覚えます）
  31. 上で挙げた各素子の動作原理を説明せよ。（動作原理がわかってないと使いこなせないし、壊してしまう可能性もあります。「大まかな」動作原理を必ず理解して下さい）
  32. 赤外分光をする際に試料槽を真空排気する理由を３つ挙げよ。（低温測定時）
  33. 紫外光源（例えば重水素ランプやキセノンランプ、高圧水銀灯など）を用いる際に安全に関して注意すべき事は何か？
  34. 金、銀、アルミニウムの反射スペクトルの概要を述べよ。（反射率測定のリファレンスとしては、それぞれどんな領域に適しているか？）酸化されやすさはそれぞれどうか。
  35. エリプソメトリーとはどのような手法か？垂直入射で反射率を測ってクラマースクローニッヒ解析する手法と比べた違いは何か？
真空技術
  1. 大気圧はPa, bar, torrで表すとそれぞれいくらになるか？
  2. 真空と大気の仕切り（チャンバーや窓）には1 cm2あたりどれだけの力がかかるか？
  3. 低真空、高真空、超高真空のおよその圧力（真空度）範囲を述べよ。
  4. 油回転ポンプ（ロータリーポンプ）、油拡散ポンプ、スクロールポンプ、ターボ分子ポンプ、イオンポンプの動作原理、使用法、到達真空を述べよ。
  5. 真空ポンプの排気速度はどう定義されるか。
  6. 油回転ポンプ、ターボ分子ポンプの排気能力（排気速度）はどの程度か。
  7. ターボ分子ポンプを使う際に注意するべき点を上げよ。
  8. 油回転ポンプを使う際に注意すべき点をあげよ。
  9. 低真空、高真空における真空計をそれぞれ挙げ、動作原理を説明せよ。（研究室で用いている真空計は両者が内蔵されていて切り替わるようになっている）
  10. 窒素トラップの動作原理を説明せよ。
  11. 真空ポンプと真空槽をつなぐ排気パイプ、ダクトに関して、排気時間、到達真空度を改善するにはその太さ、長さ、形状をどうすればよいか。
  12. Ｏリングおよび銅ガスケットによる真空封止（真空シール）について原理とおよその適用真空範囲を説明せよ。
  13. 上の問で、それぞれのシール方法を用いるフランジの代表的な規格は何か。
  14. ベーキングとは何か。その原理と、どんな場合にベーキングが必要か説明せよ。
  15. 真空グリースの役割と、使用に当たって注意すべきことを説明せよ。（当研究室で用いている真空グリースはシリコーングリース（白色）とアピエゾンMグリース（黄色）の2種類である）
低温・高圧ガス関連技術
  1. 液体窒素、液体ヘリウムの大気圧における沸点は何Kか。
  2. １リットルの液体ヘリウムが室温・常圧の気体になると、その体積は何リットルになるか？（１リットルの液体ヘリウムが蒸発すると、ヘリウムガス回収計は何m3回るか？）
  3. 液体ヘリウムを減圧するとその温度はどうなるか？その理由は何か？
  4. クライオスタットやデュワーの放射シールドとは何か？その役割と共に説明せよ。
  5. 液体ヘリウム冷却Siボロメーター検出器で、ヘリウム槽の外側に窒素槽がある理由は？
  6. 物性実験で使われる代表的な温度センサーとして、熱電対とSiダイオードの動作原理を説明せよ。（当研究室ではSiダイオードを使っています）
  7. クライオスタットに取り付けた試料の温度を制御する原理を説明せよ。
  8. その際使う温度コントローラーの動作原理は？　特にPID制御とは何か？
  9. もし液体窒素や液体ヘリウムが露出した皮膚にかかって痛みを感じた場合、どう対応するか？
  10. 実験室で大量の液体窒素、液体ヘリウムを扱う場合、気をつけるべき事は何か？（低温に注意することに加えて）
  11. 液体ヘリウム、液体窒素の容器をエレベーターで運ぶ際はどうすべきか？
  12. 液体窒素、液体ヘリウムを扱う実験で服装や靴に関して何に注意すべきか？（なぜスリッパ履きは厳禁なのか？）
  13. 検出器やトラップに液体窒素を注ぐ場合、注意すべき点を挙げよ。（手にかからないようにすることに加えて）
  14. 高圧ガスのボンベに付いているレギュレーターの役割は何か？。
  15. 窒素ボンベ用とヘリウムボンベ用のレギュレーターでは何が違うか？
  16. 未使用のガスボンベ（窒素、ヘリウム）のガス圧はいくらか？
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