物理机械建筑类第8 9章

物理（机械建筑类）主编：王美玉第8章

第9章第8章8.1.1光线光的反射光的折射

8.1.2光的全反射

8.1.3光导纤维

8.2.1激光的特性

8.2.2激光的应用第8章图8-1日食8.1.1光线光的反射光的折射【光线】在均匀介质中，光是沿直线传播的。阳光从小孔进入暗室，由于室内灰尘对光的散射，我们可以很清楚地看到这束阳光的传播路线是笔直的。把光能够在其中传播的物质称为光介质，简称介质。光是直线传播的，我们可以用一条表示光束的直线来代表这束光，这样的直线就称为光线。光线是个抽象概念，并非实际存在。在画图的时候，我们经常用带箭头的线段来表示光的传播方向。自然界中的许多光现象，如影子、日食、月食、小孔成像等，都是光直线传播的结果。【光的反射】当光在一种均匀介质里传播的过程中遇到另一种介质时，它的传播方向会发生变化，其中有一部分光反射回原来的介质中，这就是光的反射。实验证明光在反射时遵循以下的反射定律。反射定律如图8-2所示，反射光线与入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分别位于法线两侧，反射角等于入射角，这就是反射定律。物理(机械建筑类)第8章光现象及应用根据光的反射定律可以知道，如果光线逆着反射光线的方向射到反射面上，则一定可以在原来入射光的角度上得到这束光的反射光，所以，反射现象遵循光路可逆规律。8.1.1光线光的反射光的折射【光的折射】如图8-5所示，插入水中的直尺好像向上折了似的，这是因为当光从一种介质进入另一种不同介质时，光的传播方向发生了变化，我们把这种现象称为光的折射。如图8-6所示，定义入射光线与法线的夹角i为入射角，定义折射光与法线的夹角γ为折射角。经过长期研究，1621年荷兰数学家斯涅耳总结出了折射现象所遵循的折射定律。折射定律折射光线和入射光线与通过入射点的法线在同一平面上，并且折射光线与入射光线分别位于法线两侧；入射角正弦与折射角正弦之比为一常数，它等于光在两种介质中的传播速度的比值8.1.1光线光的反射光的折射图8-2反射光与入射光8.1.1光线光的反射光的折射图8-3漫反射8.1.1光线光的反射光的折射图8-4镜面反射8.1.1光线光的反射光的折射图8-5光的折射现象8.1.1光线光的反射光的折射图8-6光折射原理示意图8.1.1光线光的反射光的折射表8-1常见介质的折射率8.1.1光线光的反射光的折射8.1.2光的全反射【全反射现象】根据光的折射定律，光从光密介质射入光疏介质时，折射角γ大于入射角i。如图8-8a所示，一束光线由水中斜射入空气，可以看到光线射在水面上时，同时发生了反射和折射，并且折射角γ大于入射角i。此时如果我们不断增大入射角i，将会看到折射角γ也越来越大，并且反射光也越来越强。如图8-8b所示，当入射角i增大到某一角度时，折射角γ等于90°，折射光完全消失，光线全部被反射到水中。图8-8全反射现象和原理示意图我们把入射光在介质表面被全部反射的现象称为全反射现象，发生全反射时的入射角称为临界角，用i0表示，如图8-8b所示。全反射事实上是折射角γ先于入射角i达到90°而产生的一种特殊的光学现象。根据实验得出，发生全反射现象必须具备以下两个条件：(1)光由光密介质进入光疏介质；

(2)入射角等于或大于临界角。

8.1.2光的全反射图8-8全反射现象和原理示意图

8.1.2光的全反射图8-9水中发亮的气泡8.1.2光的全反射8.1.3光导纤维【光导纤维】光导纤维又称光学纤维，是应用光的全反射原理进行光信号传导的新型材料。光导纤维一般是用玻璃纤维或塑料纤维制作，它由芯线和包层组成，如图8-11所示。芯线折射率比包层的折射率大得多。当光的入射角大于临界角时，光就在芯线与包层之间发生多次全反射而曲折前进，不会透过界面，把光从一端传到另一端，就好像自来水只能在水管里流动一样。图8-11光导纤维a)光导纤维传输光线原理图b)光导纤维传输图像原理图【光导纤维的应用】光导纤维在医学、工业和通信等领域都有广泛的应用。医学上可以用光导纤维制造医用内窥镜等仪器，用以观察人体内部的病变并进行一些复杂的手术。例如，利用光导纤维可以对食道、直肠、膀胱、子宫和胃等器官进行深部探查。将医用内窥镜(如胃镜、血管镜等)元件与不必切开皮肉的外科手术激光刀配合，可以直接插入身体内部，切除病变组织。8.1.3光导纤维图8-11光导纤维

a)光导纤维传输光线原理图b)光导纤维传输图像原理图8.1.3光导纤维图8-12光纤灯具8.2.1激光的特性激光主要由同频率、同相位和同方向的光子构成。它具有普通光所不具有的特性：单色性好、相干性好、方向性好和亮度高。8.2.2激光的应用由于激光具有许多独特的特性，因此，激光在许多领域得到广泛的应用。【激光精密计量】激光精密计量包括长度测量、测距或测速、表面质量检验等。随着科技的发展，工程技术和科学研究中对长度的测量精度要求越来越高【激光信息处理】在知识经济时代，需要存储、传输、处理大量的信息，而且数量与日俱增，使用激光技术能够大幅度提高信息处理能力和速度。激光信息处理包括光盘制作、光纤通信、光计算、激光印刷技术等。【强激光的应用】激光经过聚焦可以获得功率很高的激光束【激光医学】利用高亮度激光束产生的热效应，以及单色性好的激光束产生的生物效应，可以治疗部分疾病。【激光武器】在古代人们就幻想用光束来做武器。激光武器基本上由高能量激光系统和精密跟踪系统两部分组成。激光武器又分为战术激光武器和战略激光武器两类。8.2.2激光的应用图8-13激光导向打隧道8.2.2激光的应用图8-14激光钻孔示意图8.2.2激光的应用图8-15激光制导炸弹图8-16建筑物上的玻璃幕墙8.3光污染与控制图8-17看不见星光的城市夜空8.3光污染与控制图8-18郊外的夜空8.3光污染与控制

【光污染】光污染问题最早于20世纪30年代由国际天文界提出，他们认为光污染是城市室外照明使天空发亮，从而对天文观测产生负面影响。后来英美等国称之为“干扰光”，在日本则称之为“光害”。【光污染的分类】国际上一般将光污染分成三类，即白亮污染、人工白昼和彩光污染。白亮污染当太阳光照射强烈时，城市里建筑物的玻璃幕墙、釉面砖墙、磨光大理石和各种装饰涂料等会反射光线，产生明晃白亮，使人产生眩晕感，这种现象就是白亮污染。如图8-17所示，夜幕降临后，商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目，令人眼花缭乱，有些强光束甚至直冲云霄，使得夜晚如同白天一样，即产生人工白昼。彩光污染休闲娱乐场所安装的黑光灯、旋转灯、荧光灯以及闪烁的彩色光源构成了彩光污染。8.3光污染与控制【光污染的危害】据美国一份最新的调查研究显示，夜晚的华灯造成的光污染已使世界上五分之一的人对银河系“视而不见”。这份调查报告的作者之一埃尔维奇说：“许多人已经失去了夜空，而正是我们的灯火使夜空失色。”他认为，现在世界上约有三分之二的人生活在光污染里。在欧美和日本，光污染的问题早已引起人们的关注。美国还成立了国际黑暗夜空协会，专门与光污染作斗争。【光污染的控制】控制光污染主要有下列几个方面：(1)加强城市科学规划和管理，改善工作环境照明条件，减少光污染的来源。(2)对有红外线和紫外线污染的场所采取必要的安全防护措施。(3)采用个人防护措施，主要是戴防护眼镜、穿防护服等。光污染虽未被列入环境防治范畴，但它的危害显而易见，并在日益加重和蔓延。因此，人们在生活中应合理关注，防止各种光污染对健康的危害，避免过长时间接触光污染。已出现症状的应定期去医院作检查，及时发现病情，以防为主，防治结合。8.3光污染与控制第9章9.1.1原子的核式结构

9.1.2天然放射现象

9.1.3原子核的组成

9.1.4放射线污染与防治

9.2.1核能质量亏损

9.2.2重核裂变

9.2.3核能的开发利用

9.2.4轻核聚变第9章图9-1秦山核电站第9章9.1.1原子的核式结构【汤姆生的原子模型】

1897年汤姆生(1856—1940)发现了电子。后来发现，在Χ射线使气体电离以及光电效应等现象中，都从物质的原子中击出了电子。这表明电子是原子的组成部分。电子是带负电的，而原子是中性的，可见原子里还有带正电的物质。这些带正电的物质和带负电的电子是怎么样构成原子的，就成了当时物理学家们最关心的问题之一。9.1.1原子的核式结构【玻尔的原子模型】卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了α粒子散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但与经典的电磁理论发生了矛盾。原来电子没有被静电斥力吸引到核上，它一定是以很大的速度绕核运动，就像行星绕着太阳运动那样。按照经典电磁理论，绕核运动的电子应该辐射出电磁波，因此，它的能量要逐渐减少。随着能量的减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样。同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此，原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱，然而实际上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的线状谱。9.1.1原子的核式结构图9-2汤姆生原子模型9.1.1原子的核式结构图9-3α粒子散射实验装置示意图9.1.1原子的核式结构图9-4根据汤姆生原子模

型预言的α粒子偏转9.1.1原子的核式结构图9-5α粒子十分接近原子

核时发生大角度偏转玻尔理论的主要内容是如下的假设：(1)原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态称为定态。(2)原子从一种定态(设能量为Ε0)跃迁到另一种定态(设能量为Ε)时，它辐射(吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即hν=Ε0-Ε(3)原子的不同能量状态与电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此，电子的可能轨道的分布也是不连续的。9.1.1原子的核式结构9.1.1原子的核式结构【能级】氢原子的各个定态的能量值，称为能级。上面计算出的En就是氢原子的能级公式。通常把计算出的氢原子的各个能级En表示为图9-6所示的能级图。图9-6氢原子能级图在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态称为基态。当物体受到加热或有光照射物体时，物体中的某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中吸收一定的能量，电子就可以从内层轨道跃迁到离核较远的轨道上运动，即从基态跃迁到较高能级，这种定态称为激发态。原子从基态向激发态跃迁的过程，是吸收能量的过程。原子从能级较高的激发态向能级较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。原子无论吸收能量或辐射能量，这个能量都不是任意的，而是等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差。图9-6氢原子能级图9.1.1原子的核式结构9.1.2天然放射现象【天然放射现象】人类认识原子核的复杂结构和它的变化规律是从发现天然放射现象开始的。1896年法国物理学家贝克勒耳(1852—1908)发现，铀和含铀的矿物能发出某种看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。物质能自发地产生射线的性质，称为放射性；具有放射性的元素，称为放射性元素。【放射性元素的衰变】具有放射性的元素的原子核，如铀核放出一个α粒子后，就变成了新的原子核。我们把放射性元素放出射线后转变为其他元素，并在变化时原有元素的原子数量逐渐减少的现象，称为放射性衰变。【半衰期】放射性元素的衰变有一定的规律。9.1.2天然放射现象图9-7放射线9.1.2天然放射现象图9-8三种射线穿透能力比较9.1.2天然放射现象图9-9氡元素的衰变规律(纵坐标

是氡任意时刻的质量m与初

始质量的比值)9.1.3原子核的组成【原子核的人工转变】

1919年卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，第一次使原子核人为地发生转变，其实验装置如图9-10。容器里放有放射性物质，从放射性物质射出的α粒子射到一片铝箔上，适当选取铝箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不能透过。在铝箔的后面放置一荧光屏，用显微镜来观察荧光屏上是否出现闪光。通过阀门往容器里通入氮气后，卢瑟福从荧光屏上观察到了闪光。这个实验表明，闪光一定是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的。后来，测出了这种粒子的质量和电量，确定它就是氢原子核，又称质子【中子的发现】到20世纪20年代，原子核中包含着质子的事实，已经为大多数人所公认。由于原子核的质量大体上是质子质量的整数倍，因此，有人认为原子核可能是由质子组成的。但是不久人们就发现这种想法是不正确的。如果原子核只是由质子组成的，它的电荷数(以基本电荷为单位)应该与质量数相等。实际上原子核的电荷数只是质量数的一半或者更少一些。卢瑟福根据以上事实，预想到原子内可能还存在着质量与质子相等的不带电的中性粒子，他把它称为中子。【原子核的组成】发现中子以后，人们看到，如果认为原子核是由质子和中子组成的(见图9-13)，以前在原子结构理论中遇到的问题，都可以解决。因此，原子是由质子、中子和电子组成的。而原子核是由质子和中子组成，质子和中子挤在原子中心的原子核里，电子在原子核周围运动，在原子核外形成不同的壳层，就像模糊的云飘移在天空中。这一结论很快得到人们的公认。9.1.3原子核的组成9.1.3原子核的组成图9-10原子核的人工转变实验装置示意图9.1.3原子核的组成图9-11云室照片9.1.3原子核的组成图9-12查德威克实验示意图9.1.3原子核的组成图9-13原子结构示意图9.1.3原子核的组成图9-14γ射线探

伤示意图放射线的利用利用放射性同位素放出的γ射线的贯穿本领，可以检查金属内部有没有砂眼或裂纹，这种检验称为γ·射线探伤示踪原子的利用把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易察明的情况或规律。人们把这种用途的放射性同位素称为示踪原子。9.1.3原子核的组成9.1.4放射线污染与防治【放射线污染】过量的放射性物质产生放射线泄露对环境造成的污染，对人类和自然界产生的破坏作用，称为放射线污染。放射线对人体组织是有伤害作用的，过量的放射线对人体内的DNA发生作用，会使之发生突变，造成对人体的伤害。科研或生产中使用的放射源物质丢失、遗落，核爆炸、贫铀弹、核电站泄露等都会导致放射线污染。此外，一些人工合成的放射线物质以及一些天然物质(如矿石、大理石等)所放出的过量的放射线也会对人类和自然产生严重的危害。【放射线防治】为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏，人们所采取的有效防范措施，称为放射线防治。例如，在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄；用过的核废料要放在很厚重的重金属箱内，并埋在深海里；在生活中对那些有放射线的物质要有防范意识，尽可能远离放射源等都是对放射线的有效防治措施。9.2.1核能质量亏损【核能】核能就是原子能，是原子核裂变或聚变过程中所释放出的能量。核能包括重核裂变释放的能量(如原子弹爆炸释放的能量)、轻核聚变释放的能量(如太阳发光发热的能量来源)及原子核衰变时释放出的放射能(如放射电池就是利用钚239在衰变过程中释放出来的能量来发电的)。【质量亏损】物理学家们研究过质子、中子和氘核之间的质量关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，它的质量却不等于一个中子和一个质子的质量之和。比较精确的计算表明，氘核的质量比中子和质子的质量之和要小一些。9.2.2重核裂变【铀核裂变】原子核里蕴藏着巨大的能量，物理学家们很早就认识到了，但是在相当长的时间里却一直找不到释放核能的实际方法。重核裂变是指一个重核(核子数多)的原子核分裂两个或两个以上中等质量原子核的变化过程，如U235的裂变。重核裂变的条件是中子的撞击。质能关系告诉我们，如果反应后的原子核质量之和，小于反应前的原子核质量之和，那么，这个反应过程就可以释放出巨大的能量。【链式反应】铀核裂变时，同时放出2~3个中子，如果这些中子再引起其他铀235核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，我们将这种反应称为链式反应9.2.2重核裂变图9-15铀235裂变反应示意图9.2.2重核裂变16A.TIF9.2.2重核裂变图9-16链式反应9.2.2重核裂变图9-17原子弹

a)早期的原子弹实图b)原子弹引爆原理示意图9.2.3核能的开发利用【核反应堆】原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的。那么，图9-18核反应堆示意图怎样才能使原子核内部蕴藏的巨大能量释放出来呢？科学家通过实验和研究发现，用人工方法控制链式反应的速度，可以使核能比较平衡地释放出来，于是人们制成了核反应堆。反应堆是核电站的核心设施。反应堆是一种利用核燃料的可控裂变链式反应来工作的设备，如图9-18所示。核燃料是反应堆(原子弹)中用来进行原子核链式反应的物质，也称为裂变物质。常用核燃料是天然铀或浓缩铀(其中铀235元素占3%~4%)，一般制成圆柱形、长方形、球形等，其中以圆柱形居多。9.2.3核能的开发利用【核电站】核电站是利用原子核内部蕴藏的能量大规