2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核物理學(xué)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題4分，共20分）1.放射性衰變2.盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)3.核力4.標(biāo)準(zhǔn)模型5.核聚變二、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述玻爾原子模型的主要內(nèi)容和它所解決的關(guān)鍵問(wèn)題。2.簡(jiǎn)述查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)原理和重要意義。3.簡(jiǎn)述核裂變和核聚變的基本過(guò)程及其主要區(qū)別。4.簡(jiǎn)述粒子加速器在核物理研究中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。5.簡(jiǎn)述核醫(yī)學(xué)中放射性同位素的主要應(yīng)用方式。三、論述題（每題10分，共40分）1.論述盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)對(duì)原子核模型的建立所起到的決定性作用。2.論述核殼層模型是如何解釋原子核性質(zhì)的某些規(guī)律性（如“幻數(shù)”現(xiàn)象）的。3.論述粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的主要內(nèi)容和其目前面臨的挑戰(zhàn)。4.論述核能發(fā)展在當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中的地位、潛力和面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、名詞解釋1.放射性衰變：原子核由于不穩(wěn)定而自發(fā)地放射出射線（α、β、γ等）并轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核的過(guò)程。它是核內(nèi)部的一種隨機(jī)過(guò)程，遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律。*解析思路：定義放射性衰變，強(qiáng)調(diào)其自發(fā)性、核內(nèi)部過(guò)程、隨機(jī)性和統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。2.盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)：盧瑟福等人用α粒子轟擊金箔，發(fā)現(xiàn)大部分α粒子穿過(guò)，少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)甚至反射。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明原子具有帶正電的核，且體積很小。*解析思路：描述實(shí)驗(yàn)基本過(guò)程和主要觀察結(jié)果，點(diǎn)明實(shí)驗(yàn)的核心結(jié)論——原子核的存在及其特性（帶正電、小體積）。3.核力：存在于原子核內(nèi)部，將質(zhì)子和中子（核子）緊密束縛在一起的強(qiáng)相互作用力。它具有短程性、飽和性和電荷無(wú)關(guān)性。*解析思路：定義核力，強(qiáng)調(diào)其作用對(duì)象（核子）、性質(zhì)（強(qiáng)相互作用、短程、飽和、電荷無(wú)關(guān)）。4.標(biāo)準(zhǔn)模型：目前描述強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用（統(tǒng)稱三大基本力）的理論框架，認(rèn)為基本粒子由夸克和輕子組成，并預(yù)言了希格斯玻色子。*解析思路：說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)模型是描述三大相互作用的統(tǒng)一理論，指出其構(gòu)成粒子（夸克、輕子）和關(guān)鍵預(yù)言（希格斯玻色子）。5.核聚變：兩個(gè)或多個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核的過(guò)程，同時(shí)釋放出巨大的能量。太陽(yáng)及其他恒星的能量主要來(lái)源于核聚變。*解析思路：定義核聚變，說(shuō)明其過(guò)程（輕核結(jié)合成重核）和結(jié)果（釋放巨大能量），并提及典型實(shí)例（恒星能量來(lái)源）。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述玻爾原子模型的主要內(nèi)容和它所解決的關(guān)鍵問(wèn)題。*答案：玻爾原子模型的主要內(nèi)容包括：電子在特定軌道（分立能級(jí)）上繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)不輻射能量；當(dāng)電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)，才會(huì)吸收或輻射一個(gè)光子，光子的能量等于兩個(gè)能級(jí)之差（E?-E?=hν）。該模型解決了經(jīng)典電磁理論無(wú)法解釋的氫原子光譜是分立譜線以及原子穩(wěn)定性的問(wèn)題。*解析思路：首先列出模型的核心假設(shè)（定態(tài)假設(shè)、躍遷假設(shè)），然后說(shuō)明這些假設(shè)如何解釋了氫原子光譜的分立性和原子的穩(wěn)定性這兩個(gè)經(jīng)典理論無(wú)法解決的問(wèn)題。2.簡(jiǎn)述查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)原理和重要意義。*答案：查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)原理是：用α粒子轟擊鈹靶，觀察到一種穿透力很強(qiáng)的射線，這種射線不能使威耳遜云室中的氣體電離，也不是γ射線，推斷其是中性粒子——中子。重要意義在于：解釋了原子核的質(zhì)量數(shù)為何遠(yuǎn)大于質(zhì)子數(shù)；為核反應(yīng)理論提供了基礎(chǔ)；為人工核反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了道路。*解析思路：描述實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)置（α粒子轟擊鈹）、關(guān)鍵觀測(cè)（特殊射線）和推斷（中子），然后闡述其發(fā)現(xiàn)的重大意義（解釋核質(zhì)量、奠定核反應(yīng)基礎(chǔ)、推動(dòng)核能發(fā)展）。3.簡(jiǎn)述核裂變和核聚變的基本過(guò)程及其主要區(qū)別。*答案：核裂變是指重原子核（如鈾-235）受中子轟擊后分裂成兩個(gè)或多個(gè)較輕原子核，同時(shí)釋放出中子和巨大能量的過(guò)程。核聚變是指兩個(gè)或多個(gè)輕原子核（如氫的同位素）結(jié)合成一個(gè)較重的原子核，同時(shí)釋放出巨大能量的過(guò)程。主要區(qū)別在于：反應(yīng)物不同（裂變是重核，聚變是輕核）；釋放能量機(jī)制不同（裂變是重核的“分裂”，聚變是輕核的“合并”）；目前實(shí)現(xiàn)條件不同（裂變相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，聚變需要極高溫度和壓力）；主要應(yīng)用領(lǐng)域不同（裂變主要用于核電站和原子彈，聚變是未來(lái)能源方向和氫彈原理）。*解析思路：分別描述裂變和聚變的基本過(guò)程，然后列出它們?cè)诜磻?yīng)物、能量釋放機(jī)制、實(shí)現(xiàn)條件和應(yīng)用方面的主要區(qū)別。4.簡(jiǎn)述粒子加速器在核物理研究中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。*答案：粒子加速器是核物理研究的主要工具，其關(guān)鍵作用在于：能夠?qū)щ娏Ｗ蛹铀俚椒浅８叩哪芰?，從而賦予粒子足夠的動(dòng)量去轟擊原子核，引發(fā)各種核反應(yīng)或粒子相互作用，使我們能夠探索原子核的結(jié)構(gòu)、基本粒子的性質(zhì)及其相互作用規(guī)律；是發(fā)現(xiàn)新粒子（如中子、π介子、Λ超子、J/ψ粒子、頂夸克、希格斯玻色子等）的主要手段；為驗(yàn)證和發(fā)展粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型提供了必要的實(shí)驗(yàn)手段。*解析思路：說(shuō)明加速器的基本功能（加速粒子、提供高能），點(diǎn)明其在探索核結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)新粒子、驗(yàn)證理論模型方面的核心作用。5.簡(jiǎn)述核醫(yī)學(xué)中放射性同位素的主要應(yīng)用方式。*答案：核醫(yī)學(xué)中放射性同位素的主要應(yīng)用方式包括：利用放射性同位素的射線（如γ射線）進(jìn)行診斷，稱為放射成像（如X射線攝影、核素顯像、正電子發(fā)射斷層掃描PET、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描SPECT）；利用放射性同位素的射線進(jìn)行治療的放射治療；利用放射性同位素作為示蹤劑，研究生物體內(nèi)物質(zhì)的代謝和生理過(guò)程。*解析思路：列出放射性同位素在核醫(yī)學(xué)中的三大主要應(yīng)用領(lǐng)域：診斷（放射成像）、治療（放射治療）、示蹤（研究代謝和生理過(guò)程）。三、論述題1.論述盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)對(duì)原子核模型的建立所起到的決定性作用。*答案：盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)通過(guò)α粒子轟擊金箔，觀察到大部分α粒子直線穿過(guò)，少數(shù)偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)發(fā)生大角度甚至反向散射，這與湯姆孫的“葡萄干布丁模型”預(yù)測(cè)的均勻散射相悖。盧瑟福據(jù)此提出了原子核模型：原子中心存在一個(gè)體積極小、密度極大、帶正電的核，電子在核外運(yùn)動(dòng)。這一模型完美地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)是因?yàn)樵咏^大部分是空隙；少數(shù)大角度散射是因?yàn)樗鼈兛拷藥д姷摹Ⅲw積很小的原子核，受到強(qiáng)大的庫(kù)侖力作用。該實(shí)驗(yàn)直接否定了湯姆孫模型，揭示了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的秘密，為原子核物理學(xué)的發(fā)展奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，是原子物理發(fā)展史上的里程碑。*解析思路：首先描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及其與舊模型的矛盾，然后闡述盧瑟福提出的核模型內(nèi)容，接著解釋該模型如何成功解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，最后強(qiáng)調(diào)該實(shí)驗(yàn)的歷史性意義（否定舊模型、建立新模型、奠定基礎(chǔ)）。2.論述核殼層模型是如何解釋原子核性質(zhì)的某些規(guī)律性（如“幻數(shù)”現(xiàn)象）的。*答案：核殼層模型將原子核中的質(zhì)子和中子看作是近似獨(dú)立的粒子，它們填充在一系列類似于原子中電子殼層的能級(jí)（或稱“殼”、“層”）中，每個(gè)能級(jí)可以容納一定數(shù)量的核子。核子的能量主要取決于它所處的殼層。當(dāng)原子核的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)（稱為核子數(shù)）恰好填滿某個(gè)殼層時(shí)，核子的總能量最低，原子核最穩(wěn)定。這些質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為“幻數(shù)”（如2,8,20,28,50,82,126）的原子核比相鄰的原子核更穩(wěn)定，其結(jié)合能也更高。核殼層模型成功地解釋了原子核的“幻數(shù)”現(xiàn)象、核自旋和宇稱、單質(zhì)子或單中子原子核的存在等多種原子核性質(zhì)。*解析思路：首先解釋核殼層模型的基本假設(shè)（核子填充能級(jí)、能量決定穩(wěn)定性），然后闡明核子數(shù)達(dá)到“幻數(shù)”時(shí)原子核為何更穩(wěn)定（殼層填滿、能量最低），最后說(shuō)明該模型成功解釋了“幻數(shù)”現(xiàn)象等原子核性質(zhì)。3.論述粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的主要內(nèi)容和其目前面臨的挑戰(zhàn)。*答案：粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)描述強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用的理論框架。其主要內(nèi)容是：宇宙中的所有基本粒子分為三類輕子（電子、μ子、τ子及其中微子）和兩類夸克（上、下夸克及粲、奇、頂、底夸克），基本粒子通過(guò)交換規(guī)范玻色子（膠子傳遞強(qiáng)相互作用，W±、Z?玻色子傳遞弱相互作用，光子傳遞電磁相互作用）相互作用。所有基本粒子（除引力子外）參與弱相互作用，所有帶電粒子及中性粒子（由奇異數(shù)不為零的粒子組成）參與弱相互作用，只有夸克和膠子參與強(qiáng)相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功，精確預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了許多粒子（如W±、Z?、頂夸克、希格斯玻色子），與實(shí)驗(yàn)符合得非常好。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型目前也面臨諸多挑戰(zhàn)：它是一個(gè)自洽的理論，但不能與其他基本相互作用——引力相互作用兼容（即沒(méi)有量子引力理論）；它無(wú)法解釋宇宙中暗物質(zhì)的存在和性質(zhì)；它也無(wú)法解釋宇宙中正常物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)的原因（即存在未知的CP破壞機(jī)制）；此外，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)希格斯機(jī)制的解釋也存在一些問(wèn)題。這些挑戰(zhàn)驅(qū)動(dòng)著粒子物理學(xué)向著更深層次、更完備的理論（如超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論）探索。*解析思路：首先概述標(biāo)準(zhǔn)模型是描述三種基本相互作用的統(tǒng)一理論，然后介紹其構(gòu)成粒子（輕子、夸克）和傳遞粒子（規(guī)范玻色子、膠子），接著肯定其巨大成功（預(yù)言、發(fā)現(xiàn)、符合實(shí)驗(yàn)），最后列出其面臨的主要挑戰(zhàn)（與引力兼容性、暗物質(zhì)、反物質(zhì)不對(duì)稱、希格斯問(wèn)題），并指出這些挑戰(zhàn)是未來(lái)研究的方向。4.論述核能發(fā)展在當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中的地位、潛力和面臨的主要挑戰(zhàn)。*答案：核能目前在全球能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色，它是目前主要的清潔能源之一，發(fā)電量穩(wěn)定，不產(chǎn)生溫室氣體，單位能量輸出物質(zhì)消耗量小。核能的潛力巨大，尤其對(duì)于能源需求大、化石燃料資源相對(duì)匱乏或環(huán)境壓力大的國(guó)家，核能是保障能源安全、實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)選項(xiàng)。核裂變能已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，核聚變能被視為終極清潔能源。然而，核能發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)：核安全風(fēng)險(xiǎn)與事故教訓(xùn)（如切爾諾貝利、福島核事故）仍然是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)；核廢料的安全處置問(wèn)題長(zhǎng)期存在；核擴(kuò)散風(fēng)