2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核物理學(xué)對科技倫理的思考考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述原子核的組成及其基本性質(zhì)。結(jié)合原子核的結(jié)合能，說明為什么重核的裂變和輕核的聚變能釋放巨大的能量，并指出這兩種過程各自的應(yīng)用前景。二、放射性衰變是核不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核的過程。請闡述放射性衰變的三個(gè)基本定律（指數(shù)衰變定律、半衰期、平均壽命），并解釋這些定律的物理意義。說明放射性同位素在醫(yī)學(xué)診斷、考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域有哪些具體的應(yīng)用，并分析其中涉及的主要倫理問題。三、核反應(yīng)是原子核與其他粒子（如中子、質(zhì)子、α粒子等）相互作用發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程。核反應(yīng)堆是利用核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放能量的裝置。請描述核反應(yīng)堆的基本工作原理，包括核燃料、中子源、慢化劑、控制棒等關(guān)鍵部件的作用。分析核電站運(yùn)行中可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并探討在核事故發(fā)生時(shí)，從倫理角度應(yīng)如何承擔(dān)責(zé)任和進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。四、核武器是利用核反應(yīng)（裂變或聚變）在極短時(shí)間內(nèi)釋放巨大能量的武器。請論述核武器對人類生存環(huán)境的嚴(yán)重威脅，包括核爆炸的直接后果和長期影響（如核冬天、放射性污染等）。結(jié)合核不擴(kuò)散條約（NPT）的現(xiàn)狀，分析當(dāng)前國際社會(huì)在核裁軍方面面臨的挑戰(zhàn)和倫理困境。五、核廢料，特別是高放射性核廢料，由于其長期放射性，對環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅。請闡述核廢料處理的主要方法及其面臨的技術(shù)和倫理挑戰(zhàn)。從代際公平（intergenerationalequity）的角度，論述當(dāng)前社會(huì)在核廢料處置問題上應(yīng)承擔(dān)的道德責(zé)任。六、科學(xué)研究的推動(dòng)力之一是滿足人類的需求，但科學(xué)發(fā)現(xiàn)也可能帶來未知的風(fēng)險(xiǎn)。作為核物理領(lǐng)域的研究者，在開發(fā)新的核技術(shù)（例如，小型核反應(yīng)堆、先進(jìn)核裂變技術(shù)、核聚變研究等）時(shí)，應(yīng)遵循哪些基本的科研倫理原則？請選擇一項(xiàng)你感興趣的新興核技術(shù)，討論其潛在的科技利益和可能引發(fā)的倫理問題，并提出你的思考和建議。試卷答案一、原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電荷，兩者靠核力束縛在一起。原子核的半徑近似與質(zhì)量數(shù)A的立方根成正比，即r≈r?A^(1/3)，其中r?約為1.2fm。質(zhì)子和中子質(zhì)量相近，質(zhì)子電荷為e。原子核的總電荷數(shù)為Z（質(zhì)子數(shù)），質(zhì)量數(shù)A=Z+N（中子數(shù)）。結(jié)合能是核子（質(zhì)子和中子）結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量，或拆開原子核將核子分離時(shí)需要吸收的能量。結(jié)合能反映了原子核的穩(wěn)定性。重核（如鈾）的原子核半徑較大，庫侖斥力顯著，但核子數(shù)多，平均每個(gè)核子的結(jié)合能較低。當(dāng)重核裂變成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，產(chǎn)物的結(jié)合能大于原來的重核，差值以能量形式釋放出來，這就是核裂變。輕核（如氫）的原子核中核子數(shù)少，庫侖斥力相對較小，但平均每個(gè)核子的結(jié)合能也較低。當(dāng)多個(gè)輕核聚變成一個(gè)較重的核時(shí)，產(chǎn)物的結(jié)合能遠(yuǎn)大于反應(yīng)物的總結(jié)合能，差值同樣以能量形式釋放出來，這就是核聚變。核裂變的應(yīng)用前景主要在于發(fā)電（核電站）和制造核武器。核聚變的應(yīng)用前景在于提供近乎無限的、清潔的能源（聚變反應(yīng)堆），但目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。二、放射性衰變定律指出，放射性樣品中衰變的原子核數(shù)N隨時(shí)間t呈指數(shù)衰減關(guān)系：N(t)=N?e^(-λt)，其中N?是初始時(shí)刻的原子核數(shù)，λ是衰變常數(shù)。半衰期T?/?是指放射性樣品中有一半的原子核發(fā)生衰變所需的時(shí)間，T?/?=ln(2)/λ。平均壽命τ是指放射性樣品中所有原子核的平均存活時(shí)間，τ=1/λ=T?/?/ln(2)。這些定律描述了放射性衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，適用于大量原子核的集體行為。半衰期和平均壽命是放射性同位素的特征參數(shù)，反映了其衰變速度。放射性同位素的應(yīng)用：1.醫(yī)學(xué)診斷：利用放射性同位素發(fā)出的射線（如γ射線）進(jìn)行成像（如SPECT、PET），或作為示蹤劑研究生理過程、診斷疾病。倫理問題涉及輻射劑量控制、患者知情同意、核醫(yī)學(xué)科研中的倫理審查等。2.考古學(xué)：利用放射性同位素碳-14（C-14）的半衰期測定古生物遺存或文物的年代。倫理問題相對較小，但需關(guān)注樣品來源的合法性和數(shù)據(jù)的客觀性。3.地質(zhì)學(xué)：利用放射性同位素的衰變熱測定巖石和礦物的形成年齡（放射性定年法），或利用地?zé)崽荻妊芯康厍騼?nèi)部熱歷史。倫理問題主要體現(xiàn)在對環(huán)境影響評估和資源開發(fā)的可持續(xù)性考量上。三、核反應(yīng)堆利用受控的核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生熱能，通過一回路冷卻劑傳遞給二回路，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。關(guān)鍵部件作用：1.核燃料：通常是富集度較高的鈾燃料，裂變釋放能量。常用的是二氧化鈾（UO?）陶瓷燃料。2.中子源：在反應(yīng)堆啟動(dòng)或事故停堆時(shí)提供初始中子，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通常使用鎘或硼制成的控制棒吸收中子。3.慢化劑：如重水、輕水、石墨，用于減慢快中子速度，使其更容易被易裂變的鈾-235（或其他核燃料）吸收，提高裂變效率。4.控制棒：通常由吸收截面大的材料（如鎘、硼）制成，通過插入或拔出調(diào)節(jié)對中子的吸收能力，從而控制反應(yīng)堆的功率和運(yùn)行狀態(tài)。核電站運(yùn)行中可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括：1.核事故：如反應(yīng)堆堆芯熔毀（如切爾諾貝利、福島事故），可能導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)泄漏。2.核恐怖襲擊：對反應(yīng)堆或核材料儲(chǔ)存庫的破壞可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。3.操作失誤：人員誤操作可能引發(fā)事故。4.設(shè)備老化與故障：設(shè)備性能下降或突發(fā)故障可能影響安全。倫理責(zé)任和風(fēng)險(xiǎn)管理：*預(yù)防為主：通過嚴(yán)格的安全設(shè)計(jì)、先進(jìn)的技術(shù)和規(guī)范的操作來預(yù)防事故。*透明溝通：對公眾保持信息透明，及時(shí)溝通風(fēng)險(xiǎn)信息，建立信任。*應(yīng)急準(zhǔn)備：制定完善的應(yīng)急預(yù)案，定期演練，確保事故發(fā)生時(shí)能有效應(yīng)對，減少損失。*承擔(dān)后果：無論事故原因如何，運(yùn)營方和政府都應(yīng)承擔(dān)起對受害者、環(huán)境的長遠(yuǎn)責(zé)任。*長期監(jiān)護(hù)：對核事故遺址和核廢料處置地進(jìn)行長期監(jiān)測和管理。四、核武器通過核爆炸產(chǎn)生巨大的沖擊波、高溫、強(qiáng)輻射和核冬天效應(yīng)，對人類生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成毀滅性打擊。1.直接后果：造成大量人員傷亡、建筑物損毀、火災(zāi)。2.長期影響：*核輻射：釋放的放射性物質(zhì)（落下灰）污染環(huán)境，導(dǎo)致癌癥、遺傳疾病等健康問題。*核冬天：大量煙塵進(jìn)入大氣層遮蔽陽光，導(dǎo)致全球氣溫驟降，農(nóng)作物減產(chǎn)，引發(fā)大范圍饑荒。*長期生態(tài)破壞：土地、水源、生物鏈長期受放射性污染。核武器威脅人類生存，引發(fā)軍備競賽，消耗大量資源，破壞國際和平與安全。NPT旨在防止核擴(kuò)散、促進(jìn)核裁軍、和平利用核能，但面臨挑戰(zhàn)：*擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)：部分國家可能尋求發(fā)展核武器，或現(xiàn)有核武器國家不履行裁軍承諾。*核查困難：難以完全、有效地核查他國核計(jì)劃，增加了不信任感。*大國博弈：地緣政治沖突可能阻礙合作。*小國動(dòng)機(jī)：新興國家可能出于國家安全或地緣政治考量尋求核武器。倫理困境：*大規(guī)模殺傷性：核武器的設(shè)計(jì)本身就體現(xiàn)了對生命的極端漠視。*不可控性：一旦使用，后果難以預(yù)料和控制，可能引發(fā)相互確保摧毀。*代際責(zé)任：核武器及其威脅影響子孫后代，當(dāng)代人有責(zé)任消除這種威脅。*受害者權(quán)利：核武器使用會(huì)對無辜平民造成巨大傷害，違背人道主義原則。五、核廢料處理的主要方法：1.深地質(zhì)處置：將高放射性廢料封裝后，埋藏在地下數(shù)百米深處穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造中。2.近地表處置：將中低放射性廢料封裝后，埋藏在地表以下一定深度的設(shè)施中。3.中等深度處置：介于兩者之間。面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)：長期（數(shù)萬年甚至更長）放射性屏蔽、廢物固化、防止泄漏、地質(zhì)穩(wěn)定性評估等。面臨的環(huán)境倫理挑戰(zhàn)：*潛在風(fēng)險(xiǎn)：擔(dān)心廢料泄漏對土壤、水源、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的長期影響。*責(zé)任主體：誰來負(fù)責(zé)長期管理和監(jiān)測？責(zé)任是否可以轉(zhuǎn)移？*公眾接受度：廢料處置設(shè)施選址常面臨當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的強(qiáng)烈反對。代際公平（intergenerationalequity）是核廢料處置倫理的核心原則。它要求當(dāng)代人在滿足自身需求的同時(shí)，不能以犧牲后代人的利益（如環(huán)境安全、健康福祉）為代價(jià)。這意味著當(dāng)代人有道德義務(wù)為后代妥善處理核廢料，確保他們能夠生活在安全、健康的環(huán)境中。因此，社會(huì)必須做出長遠(yuǎn)規(guī)劃，投入資源研發(fā)安全處置技術(shù)，并建立長效機(jī)制，確保處置責(zé)任得到有效履行，相關(guān)信息公開透明，接受后代人的監(jiān)督。六、科研倫理原則：科學(xué)研究的自主性與探索自由、客觀性與公正性、社會(huì)責(zé)任感與利益沖突回避、知情同意與隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)真實(shí)性與成果共享。選擇新興核技術(shù)：小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）。潛在科技利益：*提高安全性：規(guī)模小，單次事故影響有限，可采用更先進(jìn)的安全設(shè)計(jì)。*靈活部署：可建在靠近負(fù)荷中心或資源產(chǎn)地，減少長距離輸電損耗。*降低成本：標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造可能降低建設(shè)和運(yùn)營成本。*多能應(yīng)用：可結(jié)合供熱、制氫等，提供綜合能源解決方案?？赡芤l(fā)的倫理問題：*核安全與安保：小型反應(yīng)堆的安全標(biāo)準(zhǔn)、安保措施是否足夠？是否會(huì)增加核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)（乏燃料和潛在的反應(yīng)堆本身）？*環(huán)境影響：退役、廢料處理、放射性物質(zhì)潛在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)如何評估和管理？*經(jīng)濟(jì)可行性：初期投資高，市場接受度、政策支持是否可持續(xù)？*社會(huì)公平：是否會(huì)加劇能源領(lǐng)域的數(shù)字鴻溝？選址是否會(huì)引發(fā)環(huán)境正義問題？*公眾溝通與接受：如何向公眾有效溝通SMR的優(yōu)勢和風(fēng)險(xiǎn)，建立信任？思考