2025核科學(xué)基礎(chǔ)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于原子核結(jié)合能的描述中，正確的是（）。A.結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定B.結(jié)合能等于核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量C.中等質(zhì)量數(shù)原子核的結(jié)合能最大D.重核的結(jié)合能比輕核小2.某放射性核素的半衰期為T(mén)?/?，經(jīng)過(guò)3個(gè)半衰期后，剩余核素的數(shù)目為初始的（）。A.1/2B.1/4C.1/8D.1/163.下列核衰變類(lèi)型中，不會(huì)改變?cè)雍穗姾蓴?shù)的是（）。A.α衰變B.β?衰變C.γ衰變D.電子俘獲4.核反應(yīng)中，反應(yīng)截面σ的物理意義是（）。A.單位面積內(nèi)原子核的數(shù)量B.單個(gè)原子核發(fā)生反應(yīng)的概率C.單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)的次數(shù)D.反應(yīng)釋放的能量大小5.鈾-235發(fā)生熱中子裂變時(shí)，平均每次裂變釋放的中子數(shù)約為（）。A.1.5B.2.5C.3.5D.4.56.下列粒子中，穿透能力最強(qiáng)的是（）。A.α粒子B.β粒子C.γ光子D.中子7.核力的主要性質(zhì)不包括（）。A.短程力（作用范圍約10?1?m）B.電荷無(wú)關(guān)性（與核子電荷狀態(tài)無(wú)關(guān)）C.飽和性（每個(gè)核子僅與鄰近核子作用）D.電磁相互作用主導(dǎo)8.輻射防護(hù)中，“劑量當(dāng)量”的單位是（）。A.戈瑞（Gy）B.希沃特（Sv）C.貝可勒爾（Bq）D.倫琴（R）9.原子核的自旋（角動(dòng)量）主要來(lái)源于（）。A.質(zhì)子的軌道角動(dòng)量B.中子的軌道角動(dòng)量C.核子自旋和軌道角動(dòng)量的耦合D.原子核整體的旋轉(zhuǎn)10.核聚變反應(yīng)釋放能量的根本原因是（）。A.反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)減少B.反應(yīng)后比結(jié)合能增大C.反應(yīng)釋放中子D.反應(yīng)吸收能量二、填空題（每空1分，共20分）1.原子核由______和______組成，二者統(tǒng)稱為核子。2.放射性衰變的基本規(guī)律可用公式______描述，其中λ為衰變常數(shù)。3.β衰變包括β?衰變、β?衰變和______三種類(lèi)型。4.核反應(yīng)的一般表達(dá)式為a+X→Y+b，其中a為入射粒子，X為靶核，Y為生成核，b為_(kāi)_____。5.核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能夠自持進(jìn)行的條件是______（用增殖因子k表示）。6.輻射防護(hù)的三原則是實(shí)踐的正當(dāng)性、______和個(gè)人劑量限值。7.原子核的質(zhì)量數(shù)A等于______數(shù)與______數(shù)之和。8.中子的發(fā)現(xiàn)者是______（填科學(xué)家姓名）。9.熱中子的能量約為_(kāi)_____eV（取室溫下的典型值）。10.核反應(yīng)堆中，慢化劑的作用是______中子能量，常用慢化劑有______和重水。11.比結(jié)合能（平均結(jié)合能）的定義是______。12.γ射線的本質(zhì)是______，其與物質(zhì)相互作用的主要方式有光電效應(yīng)、______和電子對(duì)效應(yīng)。13.放射性活度的單位是______，1居里（Ci）=______貝可勒爾（Bq）。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述α衰變的位移定則及其物理本質(zhì)。2.說(shuō)明核反應(yīng)中Q值的定義、計(jì)算公式及正負(fù)號(hào)的物理意義。3.比較核裂變與核聚變的異同點(diǎn)（至少列出4點(diǎn)）。4.解釋“劑量當(dāng)量”與“吸收劑量”的區(qū)別，并說(shuō)明引入劑量當(dāng)量的必要性。5.描述核反應(yīng)堆中控制棒的作用原理及其常用材料（需舉例說(shuō)明）。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.已知釙-210（21?Po）發(fā)生α衰變生成鉛-206（2??Pb），各核素的原子質(zhì)量如下：21?Po=209.982873u，2??Pb=205.974465u，?He=4.002603u（1u=931.5MeV/c2）。計(jì)算該α衰變的衰變能Qα。2.某實(shí)驗(yàn)中，中子束的注量率為Φ=1×10?n/(cm2·s)，靶材料為鈾-235（密度ρ=19.1g/cm3，摩爾質(zhì)量M=235g/mol），厚度d=0.1cm。已知鈾-235對(duì)熱中子的裂變截面σ_f=582b（1b=10?2?cm2），求單位時(shí)間、單位面積內(nèi)發(fā)生裂變的鈾核數(shù)目（阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6.02×1023mol?1）。2025年核科學(xué)基礎(chǔ)試題答案一、單項(xiàng)選擇題1.B（結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量，或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量；原子核穩(wěn)定性由比結(jié)合能決定，故A錯(cuò)誤；中等質(zhì)量數(shù)原子核的比結(jié)合能最大，故C錯(cuò)誤；重核的結(jié)合能比輕核大，但比結(jié)合能小，故D錯(cuò)誤）2.C（剩余數(shù)目N=N?×(1/2)^n，n=3時(shí)為1/8）3.C（γ衰變是原子核退激釋放光子，電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)均不變）4.B（反應(yīng)截面σ表示單個(gè)原子核與入射粒子發(fā)生反應(yīng)的概率，單位為靶恩（b））5.B（鈾-235熱中子裂變平均釋放約2.43個(gè)中子，取近似值2.5）6.C（γ光子為電磁輻射，穿透能力遠(yuǎn)強(qiáng)于帶電粒子α、β，中子穿透能力雖強(qiáng)但易被輕核慢化，γ光子在物質(zhì)中主要通過(guò)三種效應(yīng)損失能量，穿透能力最強(qiáng)）7.D（核力是強(qiáng)相互作用，電磁相互作用是次主要作用）8.B（希沃特（Sv）是劑量當(dāng)量單位，戈瑞（Gy）是吸收劑量單位）9.C（原子核自旋是核子自旋和軌道角動(dòng)量的矢量和）10.B（核聚變后生成核的比結(jié)合能大于反應(yīng)前輕核的比結(jié)合能，質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量）二、填空題1.質(zhì)子；中子2.N(t)=N?e^(-λt)3.電子俘獲4.出射粒子5.增殖因子k≥16.防護(hù)的最優(yōu)化7.質(zhì)子（或Z）；中子（或N）8.查德威克9.0.02510.降低（或慢化）；石墨（或普通水）11.原子核的結(jié)合能與核子數(shù)的比值（或總結(jié)合能除以質(zhì)量數(shù)A）12.高能電磁波（或光子）；康普頓散射13.貝可勒爾（Bq）；3.7×101?三、簡(jiǎn)答題1.α衰變的位移定則是：母核發(fā)生α衰變后，子核的電荷數(shù)Z減少2，質(zhì)量數(shù)A減少4（表示為Z^AX→Z-2^(A-4)Y+??He）。其物理本質(zhì)是母核通過(guò)強(qiáng)相互作用發(fā)射α粒子（氦核），由于α粒子由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，因此子核的質(zhì)子數(shù)減少2，中子數(shù)減少2，導(dǎo)致電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別減少2和4。2.Q值定義為核反應(yīng)中釋放（或吸收）的能量，等于反應(yīng)前后系統(tǒng)動(dòng)能的變化。計(jì)算公式為Q=(m_X+m_a-m_Y-m_b)c2，其中m為各粒子的靜止質(zhì)量。Q>0時(shí)為放能反應(yīng)（反應(yīng)釋放能量），Q<0時(shí)為吸能反應(yīng)（需要外界提供能量才能發(fā)生）。3.核裂變與核聚變的異同點(diǎn)：（1）相同點(diǎn)：均通過(guò)質(zhì)量虧損釋放能量，遵循質(zhì)能方程E=Δmc2；均涉及原子核的轉(zhuǎn)變。（2）不同點(diǎn)：①反應(yīng)對(duì)象：裂變是重核分裂為中等質(zhì)量核，聚變是輕核結(jié)合為較重核；②臨界條件：裂變需達(dá)到臨界質(zhì)量（或增殖因子k≥1），聚變需極高溫度（克服庫(kù)侖勢(shì)壘）；③能量密度：聚變釋放能量更高（單位質(zhì)量釋放能量約為裂變的4倍）；④應(yīng)用現(xiàn)狀：裂變已廣泛用于核電站，聚變?nèi)蕴幱趯?shí)驗(yàn)階段（如托卡馬克裝置）。4.吸收劑量（D）是單位質(zhì)量物質(zhì)吸收的輻射能量，單位為Gy（1Gy=1J/kg）；劑量當(dāng)量（H）是考慮輻射類(lèi)型對(duì)生物效應(yīng)影響后的修正劑量，H=D×Q×N（Q為品質(zhì)因子，N為其他修正因子），單位為Sv。引入劑量當(dāng)量的必要性：不同類(lèi)型輻射（如α、β、γ、中子）對(duì)生物組織的損傷程度不同，僅用吸收劑量無(wú)法準(zhǔn)確反映輻射危害，劑量當(dāng)量通過(guò)加權(quán)修正，更科學(xué)地評(píng)估輻射對(duì)人體的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)。5.控制棒的作用原理：通過(guò)吸收中子調(diào)節(jié)反應(yīng)堆的增殖因子k，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的控制（插入控制棒時(shí)吸收更多中子，k降低；抽出時(shí)k升高）。常用材料需具備高中子吸收截面，例如：①硼（1?B）：熱中子吸收截面大（約3840b），常用碳化硼（B?C）；②鎘（113Cd）：熱中子吸收截面約2060b，早期反應(yīng)堆常用；③鉿（Hf）：吸收截面高且耐高溫，用于先進(jìn)壓水堆。四、計(jì)算題1.衰變能Qα的計(jì)算：α衰變方程為21?Po→2??Pb+?He質(zhì)量虧損Δm=m(21?Po)-[m(2??Pb)+m(?He)]代入數(shù)據(jù)：Δm=209.982873u-(205.974465u+4.002603u)=209.982873-209.977068=0.005805uQα=Δm×931.5MeV/u=0.005805×931.5≈5.41MeV（注：原子質(zhì)量已包含核外電子，因衰變前后電子數(shù)相等，故直接用原子質(zhì)量計(jì)算不影響結(jié)果）2.單位時(shí)間、單位面積內(nèi)裂變的鈾核數(shù)目（即反應(yīng)率R）：反應(yīng)率公式R=Φ×N×σ_f，其中N為靶材單位面積內(nèi)的原子核數(shù)。N=(ρ×d×N_A)/M代入數(shù)據(jù)：ρ=19.1g/cm3，d=0.1cm，M=235g/mol，N_A=6.02×1023mol?1N=(19.1×0.1×6.02×1023)/235≈(1.91×6.02×1023)/235≈11.4982×1023/2