2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——核物理與原子能應用技術考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪種粒子不是原子核的組成粒子？A.質子B.中子C.電子D.光子2.某放射性同位素的半衰期為T年，則經過t=T/2年，該同位素的活度將減少到原來的：A.1/4B.1/3C.1/2D.3/43.在α衰變過程中，原子核的質量數和電荷數將分別：A.質量數減少4，電荷數減少2B.質量數增加4，電荷數增加2C.質量數減少2，電荷數增加4D.質量數增加2，電荷數減少44.根據核力性質，下列說法正確的是：A.核力是電磁力B.核力是長程力C.核力只作用于質子之間D.核力比電磁力弱得多5.比結合能越大的原子核，通常表示：A.該原子核越不穩(wěn)定B.該原子核的體積越大C.該原子核越穩(wěn)定D.該原子核的放射性越強6.使原子核發(fā)生核反應，入射粒子的動能必須達到一定值，這個值稱為：A.半衰期B.平均壽命C.閾能D.結合能7.在核裂變反應中，一個重原子核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，同時釋放出巨大能量的過程，其能量來源主要是：A.入射中子的動能B.裂變產物的結合能增加C.重原子核的靜電勢能D.核力的勢能差8.核反應堆中，用來吸收中子、控制鏈式反應速率的關鍵部件是：A.核燃料B.中子反射器C.控制棒D.冷卻劑9.下列哪種射線在穿透物質時，其強度衰減最快？A.α射線B.β-射線C.β+射線D.γ射線10.在核醫(yī)學中，用于正電子發(fā)射斷層掃描（PET）的放射性核素通常是：A.32PB.12?IC.1?FD.11C二、填空題1.原子核的半徑大致與其質量數A的__________次方成正比，可用公式R=r?A^(1/3)表示，其中r?約等于__________fm。2.放射性衰變遵循__________定律，經過一個半衰期，放射性原子核的數目減少為原來的__________。3.一個原子核的質子數為Z，中子數為N，則其質量數為__________，該原子核的符號表示為__________。4.核反應過程中，必須遵守__________守恒定律和__________守恒定律。5.核裂變的鏈式反應要能夠持續(xù)進行，必須滿足__________條件。6.輻射防護主要有三種方式：__________防護、__________防護和__________防護。7.放射性活度是指放射性核素在單位時間內發(fā)生放射性衰變的__________，常用單位是貝可勒爾（Bq），1Bq等于每秒發(fā)生__________次衰變。三、計算題1.已知某放射性同位素的半衰期為10天。如果當前該同位素的質量為100克，求：(1)5天后剩余的純該同位素質量是多少克？(2)20天后該同位素的活度是多少（設初始活度為A?）？2.一個能量為1MeV的中子與靜止的鈾-235核發(fā)生彈性散射，散射角為90度。假設中子質量為m?，鈾-235核質量為m?(m?≈92m?)。求：(1)散射后中子的動能是多少？(2)鈾-235核的動能是多少？（提示：利用動量守恒和能量守恒，注意散射是彈性的，系統(tǒng)總動能守恒）3.假設一個核反應堆的功率為1000MW（1MW=10^6W），核燃料為鈾-235，每個鈾-235核裂變平均釋放約200MeV的能量。求：(1)該反應堆每秒大約發(fā)生多少次鈾-235核裂變？(2)如果能量轉換效率為90%，每秒需要消耗多少克鈾-235？(假設所有裂變都能釋放能量，并考慮質量虧損，1MeV=1.6×10?1?J，U-235原子量約為235u，1u≈1.6×10?2?kg)四、簡答題1.簡述α衰變和β衰變（β-）在衰變前后原子核的質子數、中子數以及質量數如何變化。2.為什么核反應堆需要使用控制棒？控制棒的主要作用是什么？3.簡述放射治療和核成像在醫(yī)學應用中的基本原理有何不同。五、論述題論述核能利用（如核電站）對環(huán)境和人類社會可能帶來的主要益處和潛在風險，并簡要提出應對這些風險的措施。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.A4.D5.C6.C7.B8.C9.A10.C二、填空題1.1/3,1.2×10?1?2.指數衰減,1/23.Z+N,23?U??或23?U4.電荷數,質量數（或質量數與動量）5.臨界條件6.外,內,物理屏蔽7.衰變次數,1三、計算題1.(1)m=m?(1/2)^(t/T)=100×(1/2)^(5/10)=100×(1/2)^0.5=100×1/√2≈70.7克(2)A=A?(1/2)^(t/T)=A?×(1/2)^(20/10)=A?×(1/2)^2=A?/4Bq2.(1)由能量守恒，散射后中子動能+鈾核動能=入射中子動能。由于m?>>m?，幾乎所有動能保持在中子，設散射后中子速度為v?'，則1/2m?v?'^2≈1MeV。v?'≈√(2×1MeV/m?)。由動量守恒，m?v?=m?v?'cosθ+m?v?cosθ'。θ'=90°,v?cosθ'=0。則m?v?=m?v?'cosθ。v?'=v?cosθ/m?。代入得v?=v?cosθ/m?。因為散射角θ=90°,cosθ=0，此彈性散射動量守恒公式不適用直接求解速度比。更準確處理需使用散射公式，但題目可能簡化模型或考察概念。若按經典簡化，設中子損失大部分能量，則v?'<<v?，中子動能遠小于1MeV，接近于0。解答思路：認識到彈性散射中質量差異巨大導致輕粒子能量損失為主。根據題目給的條件和簡化，推斷中子能量大幅損失，動能遠小于1MeV。(2)若中子動能近似為0，則鈾核動能約等于原中子動能，即1/2m?v?^2≈1MeV。v?≈√(2×1MeV/m?)。解答思路：利用能量守恒（中子初始動能轉為中子和鈾核動能），并基于m?>>m?的巨大質量差，推斷鈾核獲得的動能非常小，速度也極小。嚴格計算需考慮散射角。3.(1)總功率P=1×10^9J/s，能量釋放E_per_fission=200MeV/nucleus。1MeV=1.6×10?1?J。E_per_fission=200×1.6×10?1?J=3.2×10?11J/nucleus。每秒裂變次數N=P/E_per_fission=(1×10^9J/s)/(3.2×10?11J/nucleus)=1×10^9/3.2×10?11=3.125×102?nuclei/s。(2)每個U-235原子量約235u，1u≈1.6×10?2?kg。每個U-235質量m_atom=235×1.6×10?2?kg≈3.76×10?2?kg。每秒消耗質量M=N×m_atom=(3.125×102?)×(3.76×10?2?)kg≈1.178×10??kg/s=0.1178g/s?？紤]效率η=90%，實際消耗速率更高。消耗質量M_actual=M/η=0.1178g/s/0.9≈0.131g/s。解答思路：首先計算每秒所需釋放的總能量，然后根據每個核裂變釋放的能量反推每秒需要發(fā)生多少次裂變（核數）。最后，根據每個鈾核的質量，計算出每秒需要消耗多少質量的鈾燃料。注意單位換算和能量轉換效率。四、簡答題1.α衰變：原子核放出一個α粒子（即氦核，含2個質子、2個中子）。衰變前后，母核質子數Z減少2，中子數N減少2，質量數A減少4。β-衰變：原子核內一個中子轉變?yōu)橐粋€質子，同時放出一個電子（β-粒子）和一個反電子中微子。衰變前后，母核質子數Z增加1，中子數N減少1，質量數A不變。2.核反應堆需要使用控制棒的主要作用是吸收中子。通過調節(jié)控制棒插入反應堆的深度，可以控制中子源產生的中子被吸收的多少，從而調節(jié)鏈式反應的速率，控制反應堆的功率輸出，防止反應失控導致堆芯熔化，并維持反應堆在臨界或亞臨界狀態(tài)穩(wěn)定運行。3.放射治療：利用高能量的射線（如γ射線、X射線、粒子束）照射腫瘤部位，破壞腫瘤細胞的DNA結構，使其失去分裂增殖能力甚至死亡，以達到治療癌癥的目的。主要關注射線的生物效應。核成像：利用放射性核素標記的藥物引入人體，或使用外部射線源（如PET的正電子源）產生可被探測儀檢測到的射線，根據射線在體內的分布、分布變化或與特定組織的相互作用信息，構建人體內部結構和功能圖像（如病灶位置、大小、代謝狀態(tài)等）。主要關注放射性示蹤和射線探測原理。五、論述題核能利用的益處主要體現(xiàn)在：首先，核能是一種高效的能源，單位質量核燃料釋放的能量遠高于化石燃料，可以緩解能源短缺問題。其次，核能發(fā)電過程幾乎不產生溫室氣體（如CO?），有助于減少全球氣候變化和環(huán)境污染。此外，核能技術可以提供穩(wěn)定、持續(xù)的電力供應，不依賴天氣條件。核能利用的潛在風險主要包括：首先，核事故（如切爾諾貝利、福島事件）可能造成嚴重的核污染，對環(huán)境和人類健康產生長期危害。其次，核廢料的處理是一個長期且嚴峻的挑戰(zhàn)，高放射性核廢料需要安全儲存數萬年以上。再