2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核物理專業(yè)學(xué)術(shù)大會(huì)通知考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述核力的主要特性，并說明這些特性如何解釋原子核的穩(wěn)定性。2.解釋什么是原子核的“幻數(shù)”，并列舉幾個(gè)常見的幻數(shù)及其在核結(jié)構(gòu)中的意義。二、1.描述放射性衰變的幾何級數(shù)定律，并說明其物理意義。若某放射性核素的半衰期為T1/2，其衰變常量λ是多少？2.一個(gè)含有1克鐳-226（半衰期約為1600年）的樣品，經(jīng)過10年，理論上剩余的鐳-226還有多少克？（假設(shè)放射性衰變服從幾何級數(shù)定律）三、1.解釋核反應(yīng)Q值的物理意義。對于一個(gè)吸能反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物是否一定能存在？為什么？2.寫出質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和CNO循環(huán)中，實(shí)現(xiàn)核聚變的主要反應(yīng)步驟方程式。簡述這兩種反應(yīng)在不同恒星上的相對重要性。四、1.什么是原子核的矩（磁矩和電四極矩）？它們分別反映了原子核的哪些性質(zhì)？2.β衰變過程中，為了保持動(dòng)量守恒和角動(dòng)量守恒（特別是宇稱守恒問題），中微子（或反中微子）扮演了怎樣的角色？它的自旋和飛行方向與電子（或正電子）有何關(guān)系？五、1.簡述核反應(yīng)堆的基本工作原理。為了維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，需要滿足哪些基本條件？什么是臨界狀態(tài)？2.放射性廢物的處理是一個(gè)重要問題。簡述放射性廢物的分類原則，并說明目前常見的幾種處理方法及其主要特點(diǎn)。六、1.介紹一種常用的核輻射探測器（如蓋革-米勒計(jì)數(shù)器、閃爍體探測器或半導(dǎo)體探測器）的工作原理。簡要比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。2.在核物理實(shí)驗(yàn)中，為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)度？標(biāo)度通常依據(jù)什么物理量進(jìn)行？七、閱讀以下模擬的“核物理專業(yè)學(xué)術(shù)大會(huì)通知”片段，回答問題：“茲定于2025年6月15日至18日在中國北京召開第十六屆全國核物理大會(huì)。本次大會(huì)主題為‘核結(jié)構(gòu)的探索與核天體物理的新視角’。大會(huì)將設(shè)有多場主旨報(bào)告，涵蓋重離子碰撞研究中的新進(jìn)展、實(shí)驗(yàn)核結(jié)構(gòu)測量技術(shù)前沿、中微子振蕩與核反應(yīng)天體物理模擬等議題。特邀報(bào)告人包括在核殼模型計(jì)算方面有突出貢獻(xiàn)的學(xué)者張教授，以及從事快中子反應(yīng)數(shù)據(jù)研究的李研究員。會(huì)議期間還將安排專題研討會(huì)和壁報(bào)展示環(huán)節(jié)。有興趣的學(xué)者請于5月1日前提交注冊回執(zhí)?！?.根據(jù)通知內(nèi)容，本次大會(huì)的主要關(guān)注領(lǐng)域有哪些？請列舉至少三個(gè)。2.從通知中提到的報(bào)告人研究領(lǐng)域，推測當(dāng)前核物理研究的哪些方向可能比較熱門？3.如果你是核物理專業(yè)的學(xué)生，參加了這樣的大會(huì)，你會(huì)重點(diǎn)關(guān)注哪方面的報(bào)告或活動(dòng)？請說明理由，并嘗試思考該領(lǐng)域的研究與你所學(xué)基礎(chǔ)知識的聯(lián)系。試卷答案一、1.核力主要特性：短程、強(qiáng)相互作用、具有飽和性、電荷依賴性（庫侖排斥）。這些特性使得原子核內(nèi)部的粒子緊密結(jié)合，克服了質(zhì)子間的庫侖排斥力，從而保持原子核的穩(wěn)定性。特別是飽和性，意味著每個(gè)核子只與鄰近的少數(shù)幾個(gè)核子發(fā)生強(qiáng)相互作用，解釋了原子核尺寸與質(zhì)量數(shù)A近似成正比，而非線性關(guān)系。2.幻數(shù)是指原子核的質(zhì)子數(shù)Z或中子數(shù)N（或質(zhì)量數(shù)A）為特定數(shù)值（如2,8,20,28,50,82,126）時(shí)，原子核具有特別高的穩(wěn)定性。這通常與核內(nèi)部的“殼層模型”能級填滿或半滿有關(guān)，類似于原子中的電子殼層?；脭?shù)核通常具有較長的半衰期，且其形狀更接近球形或接近球形。二、1.放射性幾何級數(shù)定律（指數(shù)衰變定律）描述了放射性核素的數(shù)目或活度隨時(shí)間呈指數(shù)減少的規(guī)律，即N(t)=N?e^(-λt)或R(t)=R?e^(-λt)。其物理意義在于核衰變是一個(gè)隨機(jī)過程，每個(gè)原子核都有相同的衰變概率（衰變常量λ），且一個(gè)原子核衰變后，剩余原子核不再具有優(yōu)先衰變的傾向，使得整體衰變速率按指數(shù)規(guī)律下降。衰變常量λ是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率，與半衰期T?/?的關(guān)系為λ=ln(2)/T?/?。2.剩余鐳-226質(zhì)量m(t)=m?*(1/2)^(t/T?/2)=1g*(1/2)^(10years/1600years)≈1g*(1/2)^0.00625≈1g*0.9938≈0.9938g。經(jīng)過10年，理論上剩余約0.9938克鐳-226。三、1.核反應(yīng)Q值是指核反應(yīng)過程中釋放或吸收的總能量，Q=[M(反應(yīng)物總質(zhì)量)-M(產(chǎn)物總質(zhì)量)]*c2。對于吸能反應(yīng)（Q<0），反應(yīng)產(chǎn)物的總靜能小于反應(yīng)物的總靜能。根據(jù)能量守恒，反應(yīng)必須從外界吸收能量才能進(jìn)行。僅僅產(chǎn)物動(dòng)能的增加可能不足以彌補(bǔ)靜能的虧損，因此吸能反應(yīng)不一定能發(fā)生，需要額外的能量輸入（如來自高溫高壓環(huán)境提供的動(dòng)能）。2.質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)主要步驟：1H+1H→2H+e?+ν?(能量釋放)；2H+1H→3He+γ；3He+1H→?He+1H(能量釋放)。CNO循環(huán)主要步驟：12C+1H→13N+γ；13N→13C+e?+ν?；13C+1H→1?N+γ；1?N+1H→1?O+γ；1?O→1?N+e?+ν?；1?N+1H→1?O+γ。質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)在主序星（如太陽）早期或低質(zhì)量星中占主導(dǎo)，因?yàn)闇囟认鄬^低（約1-2億K）；CNO循環(huán)在高溫、大質(zhì)量恒星內(nèi)部（溫度可達(dá)1.5億K以上）更為重要，其效率遠(yuǎn)高于質(zhì)子-質(zhì)子鏈。四、1.原子核磁矩源于核內(nèi)質(zhì)子和中子的自旋以及它們之間的相對運(yùn)動(dòng)（軌道角動(dòng)量），是描述原子核具有固有磁性的物理量。電四極矩則反映了原子核形狀偏離球形的程度，只有非球形核才具有非零電四極矩。磁矩和電四極矩是原子核結(jié)構(gòu)的重要信息來源，可用于研究核的形狀、自旋、宇稱等性質(zhì)。2.β衰變中，核子數(shù)守恒，但原子序數(shù)改變。為了滿足動(dòng)量守恒，發(fā)射的電子（或正電子）和反中微子（或中微子）必須具有相反方向的動(dòng)量。為了滿足角動(dòng)量守恒（特別是總角動(dòng)量守恒，考慮到電子和核在衰變前后的角動(dòng)量變化），中微子必須攜帶走所需的角動(dòng)量。中微子（或反中微子）是電中性的、自旋為?的粒子，其自旋方向與電子（或正電子）的自旋方向相反（對于β?衰變，ν?自旋與電子自旋反平行；對于β?衰變或電子俘獲，ν??自旋與正電子自旋反平行），從而實(shí)現(xiàn)角動(dòng)量守恒。五、1.核反應(yīng)堆工作原理：利用核燃料（如鈾-235）的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，控制反應(yīng)速率，使中子通量維持穩(wěn)定，從而持續(xù)產(chǎn)生熱能。關(guān)鍵部件包括核燃料、慢化劑（減速中子）、冷卻劑（導(dǎo)出熱量）、控制棒（吸收中子以調(diào)節(jié)反應(yīng)速率）、反射器（減少中子逃逸）和屏蔽層（保護(hù)外界免受輻射）。維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是中子增殖因子k≥1。當(dāng)k=1時(shí)，反應(yīng)處于臨界狀態(tài)，功率恒定；k>1時(shí)，反應(yīng)為超臨界，功率上升；k<1時(shí)，反應(yīng)為次臨界，功率下降。2.放射性廢物分類通常依據(jù)放射性核素的半衰期和毒性水平，可分為高放廢物（HLW，高放射性、長半衰期、高毒性）、中放廢物（ILW，中等放射性、中等半衰期、中等毒性）和低放廢物（LLW，低放射性、短半衰期、低毒性）。處理方法包括：深地質(zhì)處置（用于HLW，將其埋藏在地下深處穩(wěn)定地質(zhì)構(gòu)造中）、近地表處置（用于LLW和部分ILW，挖坑填埋）、中等放射性廢物固化后遠(yuǎn)洋傾倒（已較少使用）、焚燒（用于含有機(jī)物的LLW）等。主要特點(diǎn)在于確保廢物與環(huán)境和人類隔離足夠長的時(shí)間，防止放射性物質(zhì)泄漏。六、1.示例：蓋革-米勒計(jì)數(shù)器原理：利用高電壓使計(jì)數(shù)管內(nèi)的氣體發(fā)生電離avalanche效應(yīng)，一個(gè)初始離子對在外加電場作用下迅速增長，產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流，經(jīng)放大后記錄。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、成本較低、計(jì)數(shù)效率高。缺點(diǎn)：無法區(qū)分粒子種類，死時(shí)間效應(yīng)顯著（連續(xù)粒子無法準(zhǔn)確計(jì)數(shù)），對弱信號敏感度低。閃爍體探測器原理：帶電粒子穿過閃爍體時(shí)損失能量，激發(fā)閃爍體分子，使其退激發(fā)時(shí)發(fā)出紫外或可見光光子。光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大。優(yōu)點(diǎn)：能量分辨率高、響應(yīng)速度快、可區(qū)分粒子種類（通過光輸出強(qiáng)度）。缺點(diǎn)：成本較高、相對笨重、需要光電倍增管配合。半導(dǎo)體探測器原理（如Si(Li)）：利用半導(dǎo)體材料中帶電粒子與晶格原子碰撞產(chǎn)生的電離對，在外加電場下形成電信號（脈沖）。優(yōu)點(diǎn)：能量分辨率極高、體積小、響應(yīng)快、效率高。缺點(diǎn)：成本高、易受溫度和輻射損傷、需要冷卻設(shè)備（對Si(Li)）。半導(dǎo)體探測器原理（如Ge）：同上，但Ge原子序數(shù)高，對γ射線探測效率更高。2.數(shù)據(jù)標(biāo)度是為了將探測器輸出的微弱電信號或初步處理后的信號放大到記錄儀器（如定標(biāo)器、多道分析器）能夠有效測量和記錄的范圍。標(biāo)度通常依據(jù)探測器產(chǎn)生的電信號幅度或脈沖高度與粒子在探測器中損失的能量（或電離密度）成正比這一原理進(jìn)行。通過標(biāo)度，可以將測得的脈沖高度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的粒子能量或電離信息，從而對粒子的能量進(jìn)行刻度。七、1.本次大會(huì)主要關(guān)注領(lǐng)域：重離子碰撞研究、實(shí)驗(yàn)核結(jié)構(gòu)測量技術(shù)、中微子物理、核反應(yīng)與核天體物理模擬。這些領(lǐng)域共同構(gòu)成了當(dāng)前核物理研究中探索原子核基本性質(zhì)、構(gòu)成以及其在宇宙中的演化的重要方面。2.根據(jù)報(bào)告人研究領(lǐng)域推測的熱門方向：張教授在核殼模型計(jì)算方面的貢獻(xiàn)表明，精確理解和計(jì)算原子核的微觀結(jié)構(gòu)及其隨質(zhì)量數(shù)的變化仍然是一個(gè)活躍的研究前沿，尤其是在解釋幻數(shù)現(xiàn)象和預(yù)測新核素性質(zhì)方面。李研究員從事快中子反應(yīng)數(shù)據(jù)研究，暗示了對于模擬恒星內(nèi)部核合成（特別是漸近giant分支和快中子俘獲過程）以及核反應(yīng)堆物理應(yīng)用，高質(zhì)量、寬能量范圍的反應(yīng)數(shù)據(jù)仍然需求迫切，這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。3.重點(diǎn)關(guān)注：作為學(xué)生，我會(huì)重點(diǎn)關(guān)注“實(shí)驗(yàn)核結(jié)構(gòu)測量技術(shù)”和“重離子碰撞研究”相關(guān)的報(bào)告。理由：首先，這些報(bào)告直接關(guān)聯(lián)到本課程的核心內(nèi)容，如原子核的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)測量方法等，有助于深化對基礎(chǔ)知識的理解。