2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核技術在地下水資源保護中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.在核反應23?U+n→23?U*→23?U+γ中，()。A.這是人工核反應B.這是一個α衰變過程C.中子n是反應物D.γ是反應的最終產(chǎn)物2.放射性同位素32P衰變時，釋放出的是（）。A.α粒子B.β?粒子C.β?粒子D.γ射線3.某放射性核素的半衰期為T，經(jīng)過3T時間后，其剩余的放射性活度為原始活度的（）。A.1/2B.1/3C.1/4D.1/84.下列哪種探測器主要用于探測γ射線？（）A.蓋革-米勒計數(shù)器B.鋰漂移探測器C.閃爍探測器D.熱中子探測器5.在γ能譜測井中，高能γ射線主要是來自（）。A.地層中的鉀（K）B.地層中的鈾（U）C.地層中的釷（Th）D.地層中的氫（H）6.中子測井主要用于測量地層的（）。A.自然放射性B.含氫量（孔隙度）C.鉀含量D.鈾含量7.在利用放射性同位素進行地下水示蹤時，選擇示蹤劑的主要依據(jù)是（）。A.放射性活度越高越好B.半衰期越長越好C.在地下水中遷移行為與示蹤對象一致D.易于獲取且成本低廉8.碳-14測年法主要適用于測定（）。A.地下水的流速B.地下水的礦化度C.地下水的年代D.地下水的污染程度9.伽馬能譜測井能夠區(qū)分地層中不同的放射性元素，主要是利用了它們衰變時釋放出的（）。A.不同能量的γ射線B.不同類型的衰變產(chǎn)物C.不同半衰期D.不同穿透能力10.正電子發(fā)射斷層成像（PET）在地下水監(jiān)測中主要優(yōu)勢在于（）。A.能夠測量較大范圍的地下水流向B.對地下水化學成分進行分析C.空間分辨率高，可用于定位泄漏點D.測量地下水深度二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.原子核的半徑大致與其質(zhì)量數(shù)A的______次方成正比。2.放射性衰變過程中，原子核的______數(shù)和質(zhì)子數(shù)總是保持守恒。3.吸收劑量（D）是指單位質(zhì)量的受照物質(zhì)吸收的電離輻射能量，其單位是______。4.劑量當量（H）是為了量度輻射對生物組織的隨機性危害而引入的量，其單位是______。5.中子活化分析（NAA）是一種基于______的元素分析方法，可用于測定地下水中痕量元素。6.伽馬能譜測井通過分析地層中自然放射性核素衰變產(chǎn)生的______能譜，來識別地層巖性和含水情況。7.中子測井利用中子與含氫物質(zhì)（如水）發(fā)生______效應，從而探測地層的孔隙度或含水飽和度。8.放射性同位素示蹤技術利用示蹤劑的______來追蹤地下水的運動路徑和污染物遷移。9.在地下水年齡測定中，碳-14測年法主要基于大氣中的二氧化碳與水循環(huán)，地下水中碳-14的濃度與______有關。10.核儀器在地下水監(jiān)測中可用于實時監(jiān)測地下水的______、______等參數(shù)。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述α、β、γ三種射線在電離能力和穿透能力方面的主要區(qū)別。2.簡述中子活化分析的原理及其在地下水化學成分分析中的主要應用。3.簡述伽馬能譜測井的基本原理及其在地下水勘查中的作用。4.簡述利用放射性同位素進行地下水示蹤的基本原理和步驟。四、計算題（每題8分，共16分）1.某放射性核素的半衰期為10天。若初始時刻的活度為100Ci，求：a.5天后該核素的活度是多少Ci？b.10天后該核素的活度是多少Ci？c.經(jīng)過多長時間，該核素的活度衰減為原始活度的1%？2.在一項地下水示蹤實驗中，向含水層注入了活度為1000GBq的放射性示蹤劑。經(jīng)過10小時后，在下游監(jiān)測點測得水的比活度為5Bq/L。假設示蹤劑在含水層中的遷移是一維穩(wěn)定流動，且示蹤劑不衰減、不吸附、不降解。試估算該含水層的平均流速（以米/天表示）。（水的密度近似為1g/cm3）五、論述題（12分）論述核技術在地下水資源保護中扮演的多重角色，并分析其在應用中可能面臨的主要挑戰(zhàn)及相應的應對措施。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.B6.B7.C8.C9.A10.C二、填空題1.三分之一2.質(zhì)量數(shù)3.戈瑞（Gy）4.希沃特（Sv）5.核反應6.放射性7.彈性散射8.放射性9.大氣10.放射性、化學成分三、簡答題1.解析思路：比較α、β、γ射線的來源、粒子/光子性質(zhì)、質(zhì)量/電荷、電離能力、穿透能力。答：α射線來自原子核放射，是氦核，帶正電，質(zhì)量大，電荷量大，電離能力強，但穿透能力最弱，一張紙即可阻擋；β射線來自原子核，是高速電子（β?）或正電子（β?），帶負電或正電，質(zhì)量很小，電荷量小，電離能力較弱，但穿透能力比α射線強，可穿透幾毫米厚的鋁片；γ射線來自原子核的能級躍遷，是高能光子，不帶電，質(zhì)量為零，無電荷，電離能力最弱，但穿透能力最強，需要厚重的鉛板或混凝土才能有效屏蔽。2.解析思路：闡述中子與靶核發(fā)生反應生成活化核，活化核不穩(wěn)定衰變釋放特征γ射線，通過測量γ能譜確定元素種類和含量。答：中子活化分析（NAA）的原理是：將含有中子的射線源（如12?Cs源提供中子）照射到待測的地下水質(zhì)樣品或巖芯中，樣品中的穩(wěn)定原子核俘獲中子后發(fā)生核反應，轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定的活化核。這些活化核是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地衰變，并在衰變過程中釋放出具有特定能量（特征γ射線）的射線。通過探測并分析樣品衰變釋放出的γ能譜，可以識別出哪些元素發(fā)生了活化，并根據(jù)特定γ射線的能量和強度，確定這些元素的含量。NAA在地下水化學成分分析中主要應用在于測定痕量元素，如鈾、釷、鉀、稀土元素等，方法具有準確、快速、無損、可同時測定多種元素等優(yōu)點。3.解析思路：說明伽馬能譜測井利用地層中天然放射性元素（U,Th,K）衰變產(chǎn)生的不同能量γ射線，通過能譜分析區(qū)分元素，從而推斷巖性和含水性。答：伽馬能譜測井的基本原理是：地殼中的某些天然放射性元素（主要是鈾U、釷Th、鉀K）及其衰變產(chǎn)物會不斷地釋放出γ射線。這些γ射線能量是特征性的，不同元素的衰變鏈會釋放出不同能量和強度的γ射線。伽馬能譜測井儀將井下儀器下放到鉆孔中，測量巖層所發(fā)出的天然γ射線的總強度以及按能量區(qū)分的γ能譜。通過分析測得的能譜，可以識別出地層中主要放射性元素的種類和相對含量。由于U、Th、K的含量與巖石的種類和含水性有關（例如，泥頁巖含水量高時，單位體積的鉀含量通常也較高，伽馬值會升高），因此可以根據(jù)伽馬能譜的變化來劃分地層、識別巖性、尋找含油含氣層、特別是圈定富水層或含水通道，為地下水資源勘查提供依據(jù)。4.解析思路：說明利用示蹤劑的放射性隨時間在載體（水）和示蹤劑之間遷移變化的規(guī)律，通過測量載體和示蹤劑中的放射性濃度來確定載體性質(zhì)或運動狀態(tài)。答：利用放射性同位素進行地下水示蹤的基本原理是：將一定量的放射性同位素（示蹤劑）引入到地下水中，由于放射性同位素及其化學形態(tài)在物理化學性質(zhì)上與被追蹤的地下水或溶質(zhì)非常相似，它們會隨著地下水的流動而一起遷移。通過在不同位置、不同時間采集水樣，測量水樣中的放射性活度（比活度），就可以追蹤地下水的運動路徑、計算地下水流速、評價污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、研究地下水循環(huán)模式等?；静襟E通常包括：選擇合適的示蹤劑和示蹤方法；確定注入方案（注入點、注入量、注入方式）；在下游或不同監(jiān)測點采集水樣；測量水樣中的放射性活度；建立示蹤劑濃度（或比活度）隨時間和空間變化的數(shù)學模型，分析地下水運動信息。四、計算題1.解析思路：利用放射性衰變定律公式N(t)=N?e^(-λt)或A(t)=A?e^(-λt)，其中λ=ln(2)/T?/?。先求出λ，再代入t計算。答：a.λ=ln(2)/10天≈0.0693天?1A(5天)=100Ci*e^(-0.0693*5)≈100*e^(-0.3465)≈100*0.707≈70.7Cib.A(10天)=100Ci*e^(-0.0693*10)≈100*e^(-0.693)≈100*0.5=50Cic.設時間為t，當A(t)=0.01*A?時：0.01*A?=A?*e^(-λt)0.01=e^(-0.0693t)ln(0.01)=-0.0693tt=-ln(0.01)/0.0693≈4.605/0.0693≈66.4天答：5天后活度為70.7Ci；10天后活度為50Ci；活度衰減為1%所需時間約為66.4天。2.解析思路：利用稀釋法原理，注入的示蹤劑總活度等于下游水中示蹤劑的活度。示蹤劑總活度=注入活度+下游水中活度。下游水中活度=水體體積*水中比活度。水體體積≈流速*時間*截面積。假設截面積不變，則流速=示蹤劑總活度/(水密度*截面積*時間*比活度)。答：注入總活度Q=1000GBq下游比活度C=5Bq/L=5GBq/m3時間t=10h=10/24h≈0.417h假設水體體積V=Q*t/C=1000GBq*0.417h/5GBq/m3=83.4m3假設含水層橫截面積為A，水的密度ρ≈1000kg/m3(或1g/cm3，不影響最終結(jié)果)。V=A*L(L為含水層長度/厚度)平均流速v=L/t=V/(A*t)=83.4m3/(A*0.417h)由于題目未給出截面積A，無法計算具體數(shù)值，但可表示為v=200V/Am/h。若按v=200m/day*(V/A)m3，其中V≈83.4m3(基于5L水樣代表的近似體積)，v≈200*83.4/Am/day≈16700/Am/day。若假設監(jiān)測點代表一個單位截面積的水體流動，則v≈16700/Am/day。更簡潔的理解是流速與示蹤劑稀釋體積（V=Qt/C）成正比。實際計算中，常簡化為v≈Q/(C*ρ*A*t)，單位需統(tǒng)一。以m/day計，流速v=Q/(C*1000*A*t)m/day。v=1000GBq/(5GBq/m3*1000kg/m3*A*(10/24)h)v=1000/(5000*A*(10/24))m3/hv=1000/(50000*A/24)m3/hv=(1000*24)/(50000*A)m3/hv=24000/(50000*A)m3/h=0.48/Am3/h若按水樣體積5L代表一小段水體，則V≈5m3(近似)，流速v≈1000/(5*5*(10/24))m/day=1000/(25*10/24)m/day=1000*24/250m/day=96m/day。答：估算的平均流速約為96米/天。（注意：此計算基于水樣體積代表一小段水體的簡化假設，實際流速取決于含水層截面積和水力傳導性，計算結(jié)果與截面積A成反比）。五、論述題解析思路：從地下水勘查、監(jiān)測、保護等多個方面論述核技術的應用價值，然后分析應用中可能遇到的問題，如成本、安全、法規(guī)、公眾接受度等，并提出相應的技術、管理或溝通層面的應對措施。答：核技術在地下水資源保護中扮演著多重重要的角色。首先，在地下水勘查方面，核技術可用于提高勘查的精度和效率。例如，伽馬能譜測井通過測量地層中鈾、釷、鉀的含量及其分布，有助于識別含水層、隔水層，劃分地層，尋找地下水富集區(qū)。中子測井利用中子與水的相互作用探測孔隙度，可用于評價儲層參數(shù)和含水性。中子活化分析可用于快速測定地下水中痕量元素（如鈾、釷、氚等）的含量，為評價地下水的化學特征和潛在污染提供依據(jù)。其次，在地下水監(jiān)測方面，核技術是進行污染物追蹤和監(jiān)測的有力工具。放射性同位素示蹤技術可以精確地追蹤地下水的流動路徑、計算