2025年大學(xué)《天文學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——天體物理學(xué)中的核反應(yīng)和輻射考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.一個(gè)核反應(yīng)方程滿(mǎn)足質(zhì)量數(shù)守恒和______守恒。2.恒星內(nèi)部主要的核反應(yīng)是______反應(yīng)，其主要產(chǎn)物是氦。3.根據(jù)玻爾茲曼分布，在局部熱動(dòng)平衡（LTE）條件下，發(fā)射線(xiàn)強(qiáng)度與______的平方成正比。4.光學(xué)薄介質(zhì)中，輻射主要受到______，輻射場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的影響可以忽略。5.中子俘獲過(guò)程分為_(kāi)_____過(guò)程和s過(guò)程，前者發(fā)生在高密度的超新星爆發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。6.恒星核合成過(guò)程中，碳核（質(zhì)量數(shù)12）和氦核（質(zhì)量數(shù)4）結(jié)合生成氧核（質(zhì)量數(shù)16）并釋放能量，該反應(yīng)的質(zhì)量虧損（Δm）約為_(kāi)_____MeV。7.斯蒂芬-玻爾茲曼定律描述了黑體輻射的總功率與其絕對(duì)溫度的四次方關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為_(kāi)___。8.輻射轉(zhuǎn)移方程描述了輻射在穿過(guò)介質(zhì)過(guò)程中的能量變化，它包含______、散射和發(fā)射/再發(fā)射三項(xiàng)主要物理過(guò)程。9.天體光譜中的吸收線(xiàn)主要是由氣體原子對(duì)特定頻率的輻射進(jìn)行______而產(chǎn)生的。10.維恩位移定律指出，黑體輻射譜峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與其絕對(duì)溫度成______比。二、選擇題（每題3分，共30分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.以下哪個(gè)過(guò)程是恒星內(nèi)部產(chǎn)生能量的主要來(lái)源？()A.化學(xué)反應(yīng)B.核反應(yīng)C.化學(xué)鍵斷裂D.重力收縮2.在天體物理中，計(jì)算反應(yīng)速率時(shí)，反應(yīng)截面σ通常與哪個(gè)量相關(guān)？()A.輻射強(qiáng)度B.介質(zhì)密度C.反應(yīng)物粒子數(shù)密度D.輻射溫度3.以下哪種核反應(yīng)過(guò)程主要發(fā)生在宇宙早期？()A.恒星核合成B.超新星核合成C.宇宙核合成D.中子俘獲過(guò)程4.當(dāng)一個(gè)天體處于局部熱動(dòng)平衡（LTE）狀態(tài)時(shí)，意味著什么？()A.輻射場(chǎng)完全由溫度決定B.物質(zhì)的發(fā)射和吸收過(guò)程占主導(dǎo)C.輻射和物質(zhì)處于能量平衡D.介質(zhì)密度極高5.光學(xué)厚介質(zhì)意味著什么？()A.輻射可以穿透介質(zhì)而不受損失B.介質(zhì)對(duì)輻射的吸收非常強(qiáng)C.輻射在介質(zhì)中傳播速度很快D.介質(zhì)不透明6.恒星表面的發(fā)射光譜主要由什么決定？()A.介質(zhì)密度B.介質(zhì)溫度C.化學(xué)組成D.輻射轉(zhuǎn)移過(guò)程7.以下哪種現(xiàn)象可以用黑體輻射定律來(lái)很好地解釋?zhuān)?)A.星系旋臂的形狀B.恒星光譜線(xiàn)的寬度C.恒星溫度與光譜類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系D.行星軌道的偏心率8.散射過(guò)程對(duì)輻射能譜的主要影響是？()A.改變輻射的波長(zhǎng)分布B.增加輻射的總能量C.使輻射變得各向同性D.消除輻射譜線(xiàn)9.天體物理學(xué)家通過(guò)分析什么來(lái)推斷天體的化學(xué)組成？()A.天體的顏色B.天體的亮度C.天體光譜中的譜線(xiàn)D.天體的距離10.超新星爆發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的主要核合成過(guò)程是？()A.p-過(guò)程B.c-過(guò)程C.r-過(guò)程D.s-過(guò)程三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述恒星核合成的主要階段及其產(chǎn)物。2.解釋什么是輻射轉(zhuǎn)移，并說(shuō)明其在天體物理研究中的重要性。3.描述光子與物質(zhì)相互作用的幾種主要方式。4.說(shuō)明什么是LTE條件，并列舉兩個(gè)滿(mǎn)足LTE條件的天體實(shí)例。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.已知質(zhì)子（氫核）的靜止質(zhì)量為938.3MeV/c2，α粒子（氦核）的靜止質(zhì)量為3727.4MeV/c2，氧核（質(zhì)量數(shù)16）的靜止質(zhì)量為15191.5MeV/c2。計(jì)算在碳核（質(zhì)量數(shù)12）和氦核（質(zhì)量數(shù)4）結(jié)合生成氧核并釋放能量時(shí)的能量釋放量（以MeV為單位）。（提示：考慮質(zhì)子和中子的質(zhì)量，并注意質(zhì)量數(shù)的含義）2.假設(shè)一個(gè)黑體的絕對(duì)溫度為6000K。根據(jù)維恩位移定律，計(jì)算其輻射譜峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)（以納米為單位）。并說(shuō)明該波長(zhǎng)屬于電磁波譜的哪個(gè)區(qū)域。（提示：維恩位移常數(shù)λ_peakT≈2.898×10?3m·K）五、論述題（每題15分，共30分）1.論述核反應(yīng)在天體演化和元素起源中的作用。2.結(jié)合輻射轉(zhuǎn)移方程，論述如何通過(guò)分析天體光譜來(lái)推斷天體的物理性質(zhì)（例如溫度、密度、化學(xué)組成等）。試卷答案一、填空題1.能量2.核聚變3.電子數(shù)密度（或質(zhì)子數(shù)密度）4.吸收5.快速（或r）6.7.27（或7.3）7.J=σT?（或σT?）8.吸收9.吸收10.反比二、選擇題1.B2.C3.C4.A5.B6.C7.C8.A9.C10.C三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：回答核合成階段（如氫燃燒、氦燃燒、碳燃燒等）及各階段主要合成出的元素。需提及由氫合成氦，隨后在更高級(jí)、更致密的恒星中氦聚變合成碳、氧等較重元素。*恒星核合成主要經(jīng)歷幾個(gè)階段：首先是氫燃燒階段，主要通過(guò)質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)或碳氮氧循環(huán)將氫聚變成氦；當(dāng)氫耗盡后，核心溫度和壓力升高，進(jìn)入氦燃燒階段，主要形成碳和氧；在更高質(zhì)量的恒星中，核心可以進(jìn)一步燃燒氦、碳、氧，合成更重的元素，直至鐵。*產(chǎn)物：氫燃燒的主要產(chǎn)物是氦；氦燃燒的主要產(chǎn)物是碳和氧；后續(xù)的碳燃燒、氧燃燒等階段會(huì)合成硅、硫等更重元素，最終在超新星爆發(fā)或中子星合并中合成鐵及其附近的元素。2.解析思路：解釋輻射轉(zhuǎn)移是描述光子在穿過(guò)介質(zhì)時(shí)能量如何變化的物理過(guò)程，并說(shuō)明其重要性在于理解我們從天體接收到的輻射信息。需要提及輻射會(huì)被吸收、散射、發(fā)射等過(guò)程改變。*輻射轉(zhuǎn)移描述了電磁輻射（光子）在穿過(guò)物質(zhì)介質(zhì)時(shí)，其能量、方向和譜分布隨距離變化的過(guò)程。主要機(jī)制包括被介質(zhì)吸收（能量損失）、被介質(zhì)散射（改變方向）、以及被介質(zhì)重新發(fā)射（能量恢復(fù)，但可能改變頻率）。輻射轉(zhuǎn)移方程是定量描述這些過(guò)程的數(shù)學(xué)工具。*其重要性在于：我們觀(guān)測(cè)到的來(lái)自天體的輻射，已經(jīng)經(jīng)歷了復(fù)雜的轉(zhuǎn)移過(guò)程。通過(guò)理解輻射轉(zhuǎn)移的規(guī)律，我們可以反推介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)（如溫度、密度、化學(xué)組成、不透明度等）以及天體的真實(shí)性質(zhì)，是解釋天體光譜和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。3.解析思路：列舉光子與電子、原子核等相互作用的主要方式，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其物理機(jī)制。*光子與物質(zhì)相互作用的主要方式有：光電效應(yīng)（光子被吸收，產(chǎn)生電子）；康普頓散射（光子與電子碰撞，光子能量和方向改變，電子反沖）；拉曼散射（光子與分子相互作用，光子能量和動(dòng)量改變，分子被激發(fā)到振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)）；電子對(duì)產(chǎn)生（高能光子在原子核附近作用，產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)正電子）；以及中性原子/分子的發(fā)射和吸收（原子/分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)或反之，光子被吸收或發(fā)射）。4.解析思路：解釋LTE的定義（輻射場(chǎng)與物質(zhì)處于熱平衡，譜線(xiàn)強(qiáng)度由溫度決定），并給出滿(mǎn)足此條件的天體實(shí)例。*局部熱動(dòng)平衡（LocalThermodynamicEquilibrium,LTE）是一種理想化的天體狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，輻射場(chǎng)與包圍它的物質(zhì)在空間上、動(dòng)量上和能量上分別達(dá)到局部平衡。這意味著輻射的譜分布由溫度決定（如黑體輻射），并且發(fā)射和吸收過(guò)程速率相等，譜線(xiàn)的強(qiáng)度僅取決于所在處的溫度和化學(xué)組成。*滿(mǎn)足LTE條件的天體實(shí)例：溫度相對(duì)較高的恒星大氣（如太陽(yáng)光球?qū)樱?；致密且溫度均勻的等離子體，如白矮星內(nèi)部；遠(yuǎn)離星體的均勻光球。四、計(jì)算題1.解析思路：根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2計(jì)算各粒子的靜止能量，反應(yīng)前后總靜止質(zhì)量之差即為質(zhì)量虧損，再由質(zhì)能方程計(jì)算能量釋放量。注意區(qū)分質(zhì)量數(shù)與實(shí)際質(zhì)量，并考慮反應(yīng)物中包含的中子質(zhì)量。*反應(yīng)方程：^{12}C+^{4}He→^{16}O+energy*反應(yīng)前總靜止質(zhì)量=12*m_p+4*m_n+4*m_p（氦核包含2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）*反應(yīng)前總靜止質(zhì)量=12*938.3MeV/c2+4*939.6MeV/c2+4*938.3MeV/c2（質(zhì)子質(zhì)量m_p≈938.3MeV/c2，中子質(zhì)量m_n≈939.6MeV/c2）*反應(yīng)前總靜止質(zhì)量≈11179.6MeV/c2+3758.4MeV/c2+3752.2MeV/c2≈18700.2MeV/c2*反應(yīng)后靜止質(zhì)量=15191.5MeV/c2*質(zhì)量虧損Δm=反應(yīng)前總靜止質(zhì)量-反應(yīng)后靜止質(zhì)量*Δm≈18700.2MeV/c2-15191.5MeV/c2≈3508.7MeV/c2*能量釋放量E=Δm*c2≈3508.7MeV（結(jié)果可能因取值略有差異，如3509MeV）2.解析思路：應(yīng)用維恩位移定律公式λ_peakT=常數(shù)，求解λ_peak，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為納米。根據(jù)λ_peak的大小判斷波譜區(qū)域。*維恩位移定律：λ_peakT=2.898×10?3m·K*T=6000K*λ_peak=(2.898×10?3m·K)/(6000K)≈4.83×10??m*λ_peak≈483nm（1m=10?nm）*483nm位于可見(jiàn)光光譜的藍(lán)綠色區(qū)域。五、論述題1.解析思路：從元素形成和恒星演化角度論述核反應(yīng)的作用。首先說(shuō)明宇宙早期元素豐度低，主要由大爆炸核合成產(chǎn)生；然后重點(diǎn)闡述恒星內(nèi)部的核聚變過(guò)程如何逐步合成從氫到鐵的元素，這是恒星生命周期的核心；最后說(shuō)明超新星爆發(fā)和中子星合并等劇烈事件如何合成比鐵更重的元素，并散布到宇宙中，形成我們今天觀(guān)測(cè)到的多樣化元素世界。*核反應(yīng)是宇宙元素起源和恒星演化的核心驅(qū)動(dòng)力。宇宙大爆炸初期僅形成了少量的氫、氦和少量鋰，核反應(yīng)并未顯著進(jìn)行。恒星通過(guò)核心的核聚變反應(yīng)，將輕元素逐步合成為較重的元素。主序星階段，核心進(jìn)行氫聚變生成氦；氦閃及之后階段，核心進(jìn)行氦聚變生成碳和氧；更高級(jí)的恒星可以繼續(xù)進(jìn)行碳、氧、硅等元素的燃燒，直至合成鐵。核反應(yīng)釋放的能量是恒星輻射和壓力的來(lái)源，決定了恒星的演化路徑和壽命。恒星的一生就是一部不斷進(jìn)行核合成、改變自身化學(xué)成分的歷史。當(dāng)大質(zhì)量恒星結(jié)束生命時(shí)，通過(guò)超新星爆發(fā)，其富含重元素的物質(zhì)被拋灑到星際空間；中子星合并等事件也能產(chǎn)生大量重元素。這些過(guò)程合成了周期表中大部分天然存在的元素，特別是比鐵重的元素，并豐富了星際介質(zhì)，為新一代恒星和行星的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。沒(méi)有核反應(yīng)，就沒(méi)有元素豐富多樣的宇宙。2.解析思路：結(jié)合輻射轉(zhuǎn)移的基本原理（吸收、散射、發(fā)射），說(shuō)明如何通過(guò)分析光譜線(xiàn)（強(qiáng)度、寬度、輪廓）和連續(xù)譜來(lái)推斷天體物理性質(zhì)。需要分別論述溫度、密度、化學(xué)組成、運(yùn)動(dòng)等信息的獲取途徑。*通過(guò)分析天體光譜，可以推斷其物理性質(zhì)，這是天體物理學(xué)的重要研究方法。輻射在穿過(guò)天體大氣或表面時(shí)，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生吸收、散射和發(fā)射等過(guò)程，這些過(guò)程都依賴(lài)于天體的物理狀態(tài)（溫度、密度、化學(xué)組成、運(yùn)動(dòng)等）。*化學(xué)組成：吸收線(xiàn)或發(fā)射線(xiàn)在光譜中的位置（波長(zhǎng)）由原子或分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)決定，是“指紋”特征。不同元素有其獨(dú)特的譜線(xiàn)集合，通過(guò)識(shí)別譜線(xiàn)，可以確定天體大氣或表面的化學(xué)成分及豐度。譜線(xiàn)的強(qiáng)度與所在處的電子數(shù)密度和溫度有關(guān)，結(jié)合強(qiáng)度信息可以進(jìn)一步約束組成。*溫度：譜線(xiàn)的強(qiáng)度分布遵循玻爾茲曼分布（LTE條件下）。發(fā)射線(xiàn)強(qiáng)度與電子數(shù)密度的平方和溫度的平方成正比，吸收線(xiàn)深度與電子數(shù)密度和溫度有關(guān)。通過(guò)分析譜線(xiàn)強(qiáng)度或輪廓，可以反推天體的溫度。連續(xù)譜的輻射曲線(xiàn)（如黑體輻射曲線(xiàn)）也反映了天體的表面溫度。*密度：譜線(xiàn)的輪廓（如多普勒增寬、碰撞增寬）可以