2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核物質(zhì)的強度衰減研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡要解釋什么是核物質(zhì)的“強度”。在討論核物質(zhì)的強度時，通?？紤]哪些主要的相互作用和結(jié)構(gòu)因素？二、比較并對比α衰變和β衰變（包括電子和正電子衰變）對母核剩余部分的結(jié)構(gòu)（如質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)、核能級）以及其“穩(wěn)定性”（可理解為抵抗進一步衰變或反應的能力）產(chǎn)生的影響。請說明這些差異如何反映在相應的半衰期尺度上。三、核的液滴模型如何被用來定性描述重核的裂變過程？在液滴模型框架下，哪些因素被認為是最主要的“驅(qū)動力”，促使一個足夠重的原子核克服庫侖斥力而發(fā)生裂變？這種描述在多大程度上能反映核裂變的實際復雜性？四、中子俘獲是核反應堆中燃料棒消耗以及許多重核形成的重要途徑。請討論不同類型的核反應堆（如熱中子堆、快中子堆）如何利用或應對中子俘獲過程對核物質(zhì)組成和強度（穩(wěn)定性）演化的影響。特別說明，不同中子能量對俘獲截面和隨后的核鏈式反應有何不同影響。五、在研究極重核（超重核）的合成與穩(wěn)定性時，“殼層模型”和“集體模型”各自提供了哪些方面的描述？為什么在解釋超重核的相對穩(wěn)定性（如某些“穩(wěn)定島”的預言）時，通常需要將這兩種模型的概念結(jié)合起來，或者超越它們？六、簡要闡述實驗上如何測量重核的半衰期，并說明這種測量對于研究核物質(zhì)的“強度衰減”（在此特指放射性衰變）所提供的信息。提及至少兩種不同的實驗技術及其原理。七、設想一個實驗情景：通過加速器將兩個中等質(zhì)量的重離子（例如，鈣Ca-48）以極高能量碰撞。描述在這種碰撞中可能形成的核物質(zhì)狀態(tài)，并討論這些狀態(tài)可能表現(xiàn)出與普通液態(tài)核不同的“強度”特性（例如，在能量密度、粘滯性、壓強等方面）。為什么研究這類碰撞對于理解宇宙早期或中子星內(nèi)部核物質(zhì)的強度至關重要？八、考慮一個由自由中子組成的系統(tǒng)（例如，中子星內(nèi)部分區(qū)）。與質(zhì)子化后的物質(zhì)相比，自由中子系統(tǒng)在宏觀“強度”（如抗壓強、體模彈性）方面可能表現(xiàn)出哪些獨特的性質(zhì)？這種差異主要源于哪些根本性的物理原因（例如，核力、泡利不相容原理、電荷相互作用等）？九、結(jié)合你所學的核物理知識，論述為什么研究核物質(zhì)的“強度衰減”不僅對于理解原子核本身的性質(zhì)至關重要，而且對于天體物理現(xiàn)象（如恒星演化、超新星爆發(fā)、中子星合并）的觀測和理論解釋具有不可或缺的作用。試卷答案一、核物質(zhì)的“強度”可以理解為其抵抗形變、破裂或發(fā)生相變（如從液態(tài)到氣態(tài)）的能力。在討論核物質(zhì)的強度時，通?？紤]的主要相互作用包括強大的核力（短程吸引）和庫侖力（長程排斥，僅存在于質(zhì)子之間），以及核結(jié)構(gòu)因素，如核的半徑、密度、質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)分布、核形變程度等。二、α衰變使母核放出一個α粒子（氦核），導致質(zhì)子數(shù)減少2，中子數(shù)減少2，剩余核位于衰變鏈中較前的位置，通常半衰期相對較長（對于特定區(qū)域）。β衰變（電子或正電子）則涉及中子與質(zhì)子的轉(zhuǎn)化，不改變質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和（A），但改變了質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)，使核向更穩(wěn)定的區(qū)域移動。電子衰變使質(zhì)子數(shù)增加1，中子數(shù)減少1；正電子衰變使質(zhì)子數(shù)減少1，中子數(shù)增加1。β衰變通常導致母核進入一個不同的穩(wěn)定區(qū)域，其半衰期變化范圍很大，可以比α衰變短得多或長得多，反映了核結(jié)構(gòu)的更精細依賴。半衰期上的差異源于核勢壘高度和隧穿概率的差異，這些差異又與核的庫侖校正、形變以及核力細節(jié)密切相關。三、核的液滴模型將原子核視為由核子（質(zhì)子和中子）組成的、遵循經(jīng)典流體力學規(guī)律的液滴。該模型認為，重核的裂變是由于其質(zhì)量足夠大，庫侖斥力在核的表面達到足以克服核子間結(jié)合力的程度。驅(qū)動裂變的主要“驅(qū)動力”是：1)庫侖斥力，隨質(zhì)子數(shù)Z的增加而急劇增大；2)形變能，核發(fā)生形變（拉長）時，表面能增加，但結(jié)合能可能減少，凈效應可以提供驅(qū)動力。液滴模型能定性解釋重核為何會裂變，以及電荷分布的不對稱性，但它忽略了核子的量子力學效應（如泡利不相容原理）和核力隨距離的復雜變化，因此不能精確描述裂變的細節(jié)和動力學。四、熱中子堆主要利用熱中子（能量約0.025eV）與燃料（如鈾-235）發(fā)生俘獲反應。由于熱中子截面大，易引發(fā)裂變，但同時也存在非裂變俘獲（形成鈾-239等）和吸收（如由控制棒材料俘獲）。快中子堆使用高能中子（MeV量級），鈾-238的俘獲截面在快中子能量下顯著增大，使其成為重要的裂變?nèi)剂希ㄍㄟ^快中子俘獲轉(zhuǎn)變?yōu)轭?239），同時減少了非裂變俘獲?？於言O計旨在減少中子損失，提高經(jīng)濟性，并處理更多的鈾資源。不同中子能量對俘獲截面影響巨大：一般截面隨能量升高而下降（中子慢化過程依賴此特性），但特定共振峰的存在使得俘獲截面在特定能量下可能急劇增加。這直接影響反應堆的堆芯設計、中子經(jīng)濟和材料選擇。五、殼層模型主要關注單個核子在不同量子態(tài)（殼層）上的填充，認為核的穩(wěn)定性與核子是否填滿某個殼層有關（類似原子中的電子殼層），能很好地解釋幻數(shù)核的穩(wěn)定性。集體模型則考慮整個原子核作為一個整體發(fā)生集體運動（如轉(zhuǎn)動、振動），認為核的穩(wěn)定性與核的形變有關。超重核的穩(wěn)定性研究復雜，因為它們通常處于遠離穩(wěn)定線的地方。單純依靠殼層模型難以完全解釋其異常穩(wěn)定性（如某些超重核表現(xiàn)出相對較長的半衰期）。將殼層效應和集體運動效應結(jié)合起來（如BCS理論框架下的微擾方法，或包含集體效應的殼模型變體）能更好地描述超重核的勢能曲面，解釋其相對穩(wěn)定性趨勢和可能存在的“穩(wěn)定島”。六、測量重核半衰期常用的方法包括：1)計數(shù)法：將衰變核制成樣品，在足夠長的時間內(nèi)在屏蔽環(huán)境中統(tǒng)計探測到的衰變事件數(shù)，通過測量衰變率（每秒衰變數(shù)）并外推到零本底時間，利用N(t)=N?e^(-λt)計算半衰期T?/?=ln(2)/λ。此方法對長半衰期核適用，關鍵在于長期穩(wěn)定計數(shù)和本底控制。2)積累法：對于半衰期非常短（秒、毫秒甚至更短）的核，可以在極短時間內(nèi)收集盡可能多的衰變核，然后一次性測量整個樣品的總活度。此方法要求快速制備和測量樣品。這些測量提供了關于核結(jié)構(gòu)（通過衰變模式）、核力（通過衰變能和分支比）以及核物質(zhì)穩(wěn)定性（通過半衰期長度）的關鍵信息。七、高能重離子碰撞模擬了宇宙早期或極端天體（如中子星）內(nèi)部的高溫高密條件。碰撞中可能形成夸克-膠子等離子體（QGP）等極熱態(tài)核物質(zhì)，或極密態(tài)的核物質(zhì)。這類核物質(zhì)可能表現(xiàn)出與普通液態(tài)核不同的強度：QGP可能具有非常低的粘滯性（類似理想流體），而極密物質(zhì)可能具有極高的硬度和抗壓強。研究這類碰撞對于理解核物質(zhì)的相圖、極端狀態(tài)下的性質(zhì)（如強度、粘滯性、熱力學性質(zhì)）至關重要，因為這些性質(zhì)決定了宇宙早期元素合成、中子星合并的動力學過程和觀測特征（如沖擊波傳播、重子數(shù)輸運等）。八、自由中子系統(tǒng)（如中子星物質(zhì)）與質(zhì)子化后的物質(zhì)（如普通原子核或等離子體）在宏觀“強度”上表現(xiàn)出顯著差異。主要原因包括：1)核力：自由中子間只有吸引力，沒有庫侖排斥，這使得中子星物質(zhì)在相同密度下通常比質(zhì)子化物質(zhì)具有更高的結(jié)合能密度和抗壓強。2)泡利不相容原理：在中子星極高的密度下，中子間的泡利壓力可能變得非常顯著，貢獻強大的抗壓縮力。3)電荷相互作用：質(zhì)子化物質(zhì)受到庫侖斥力，限制了其密度和穩(wěn)定性，這種斥力在自由中子系統(tǒng)中不存在。因此，中子星物質(zhì)展現(xiàn)出極高的靜態(tài)穩(wěn)定性（抵抗引力坍縮）和動態(tài)穩(wěn)定性（如地震模式的限制）。九、研究核物質(zhì)的“強度衰減”（主要指放射性衰變）至關重要，因為它揭示了原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成和相互作用的奧秘。例如，不同核素的半衰期反映了核力、庫侖力以及核形變等多種因素的綜合作用。理解衰變規(guī)律有助于我們識別和制備新的核素，發(fā)展新的核能技術（如核裂變、聚變）。在天體物理中，放射性衰變是許多天體現(xiàn)象的能量來源和示蹤劑。例如，放射性元素（如鋁-26,鈾-238）的衰變熱是早期太陽和恒星內(nèi)部加熱的