2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——超新星爆發(fā)對(duì)核物理的啟示考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填在答題紙上。）1.超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子主要是哪種類型的中微子？A.電子中微子B.μ子中微子C.τ子中微子D.中性子2.根據(jù)核結(jié)合能曲線，鐵元素（Fe-56）附近核子的平均結(jié)合能最大。超新星爆發(fā)過程中，合成比鐵更重的元素主要依賴哪種核過程？A.碳氮氧循環(huán)B.氫殼層燃燒C.s過程（慢中子俘獲過程）D.r過程（快中子俘獲過程）3.關(guān)于Ia型超新星，下列描述錯(cuò)誤的是？A.通常由白矮星與伴星物質(zhì)積累引發(fā)B.爆發(fā)能量主要來自碳氧核的完全燃燒C.爆發(fā)產(chǎn)物主要是鐵豐度元素D.其爆發(fā)機(jī)制與普通恒星演化直接相關(guān)4.s過程主要發(fā)生在宇宙的什么階段？A.大爆炸初期B.主序星階段C.超巨星晚期和漸近巨星支（AGB）階段D.超新星爆發(fā)瞬間5.以下哪種觀測現(xiàn)象是支持超新星爆發(fā)是重元素主要合成場所的關(guān)鍵證據(jù)之一？A.對(duì)遙遠(yuǎn)星系光譜中重元素豐度的測量B.對(duì)近場超新星遺跡化學(xué)成分的分析C.對(duì)中微子探測事件的分析D.以上都是6.超新星爆發(fā)時(shí)的極端條件（高溫高壓）對(duì)核物理研究的重要意義之一是？A.允許進(jìn)行地球上無法實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)B.提供了研究核力性質(zhì)的天然實(shí)驗(yàn)室C.能夠精確測量原子質(zhì)量D.以上都是7.導(dǎo)致超新星內(nèi)爆的主要能量來源之一是？A.核燃料燃燒釋放的輻射壓B.電子對(duì)產(chǎn)生導(dǎo)致的物質(zhì)不透明度增加C.中微子能量沉積D.恒星自身引力收縮8.在核反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中，r過程通常發(fā)生在具有極高中子密度的環(huán)境中，如？A.AGB星內(nèi)部B.超新星爆發(fā)的沖擊波區(qū)域C.中子星合并事件D.行星狀星云9.放射性同位素钚-240（Pu-240）的存在被觀測到存在于某些超新星遺跡中，這對(duì)于理解超新星爆發(fā)機(jī)制有何啟示？A.表明超新星爆發(fā)具有相對(duì)溫和的力學(xué)機(jī)制B.暗示超新星爆發(fā)可能經(jīng)歷了多次內(nèi)部核反應(yīng)波C.證明超新星爆發(fā)不能產(chǎn)生重于鈾的元素D.說明觀測樣本存在選擇性偏差10.超新星爆發(fā)對(duì)核物理的“啟示”不僅限于重元素合成，還包括對(duì)核反應(yīng)率在極端條件下的影響的理解。這方面研究的意義在于？A.改進(jìn)恒星演化模型B.驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型中核力的準(zhǔn)確性C.預(yù)測宇宙化學(xué)演化D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在答題紙上。）1.超新星爆發(fā)主要有兩種類型，即________型和________型。2.在超新星爆發(fā)過程中，由中微子攜帶離開恒星核心的能量約占爆發(fā)總能量的_________%。3.s過程的主要產(chǎn)物是________元素，其合成對(duì)銀河系早期化學(xué)演化貢獻(xiàn)顯著。4.r過程能夠合成比鐵更重的元素，其關(guān)鍵條件是極高的中子密度和豐度，以及足夠長的時(shí)間窗口，這個(gè)時(shí)間窗口通常被稱為________。5.觀測到的一些超新星遺跡中存在過量的鋰（Li），這通常被認(rèn)為是超新星爆發(fā)時(shí)________層被拋射出來的證據(jù)。三、簡答題（每題5分，共15分。請(qǐng)將答案寫在答題紙上。）1.簡述中微子為何在研究超新星爆發(fā)過程中扮演著至關(guān)重要的角色。2.簡要說明s過程和r過程在核合成機(jī)制、發(fā)生環(huán)境以及主要產(chǎn)物方面的主要區(qū)別。3.超新星爆發(fā)如何為地球提供了形成所需的化學(xué)元素基礎(chǔ)？四、論述題（10分。請(qǐng)將答案寫在答題紙上。）結(jié)合核物理的基本原理，論述超新星爆發(fā)如何證實(shí)了快中子俘獲（r-process）是合成宇宙中大部分重元素（原子序數(shù)大于84的元素）的主要機(jī)制，并說明支持這一結(jié)論的關(guān)鍵觀測證據(jù)。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.D4.C5.D6.D7.C8.B9.B10.D二、填空題1.Ia；II2.993.鋰（或Li）4.中子冷卻時(shí)間（或n-coolingtime）5.氫（或H）三、簡答題1.解析思路：中微子幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此能幾乎無損地逃離超新星爆發(fā)的核心區(qū)域。通過探測到來自超新星爆發(fā)事件的中微子，科學(xué)家可以精確地了解爆發(fā)的開始時(shí)間、核心發(fā)生的物理過程（如核合成、內(nèi)爆反彈等）以及中微子能量沉積情況，這些信息對(duì)于理解超新星爆發(fā)的整體機(jī)制至關(guān)重要，而這是僅靠光學(xué)觀測無法實(shí)現(xiàn)的。2.解析思路：s過程發(fā)生在AGB星等相對(duì)溫和的環(huán)境中，利用恒星內(nèi)部中子密度較低的條件，通過逐個(gè)俘獲中子緩慢合成比鐵重的元素，主要產(chǎn)物是比鐵輕的稀有氣體元素（如錒系和鑭系元素），合成時(shí)間尺度較長。r過程發(fā)生在超新星爆發(fā)或中子星合并等中子密度極高（>10^31cm^-3）的極端環(huán)境中，通過極快地（毫秒量級(jí)）俘獲大量中子合成重元素，主要產(chǎn)物是錒系元素和超鈾元素，需要中子冷卻時(shí)間窗口。3.解析思路：恒星在其生命周期的不同階段通過核聚變產(chǎn)生元素，從氫到鐵。超新星爆發(fā)是一種劇烈的天體現(xiàn)象，能夠?qū)⒑阈莾?nèi)部合成的大部分元素（特別是比鐵重的元素）以及一部分未參與核合成的心部物質(zhì)猛烈拋射到星際空間。這些被拋射的物質(zhì)豐富了星際介質(zhì)，成為新一代恒星和行星形成的原材料，從而為地球等行星提供了形成所需的各種化學(xué)元素基礎(chǔ)。四、論述題解析思路：1.核物理基礎(chǔ)：r-process的核心是極快地俘獲中子以克服庫侖勢壘合成重核。這要求極高的中子密度（>10^31cm^-3）和相對(duì)較長的中子“存活”時(shí)間（>10^-3s），即中子冷卻時(shí)間窗口。同時(shí)，需要大量自由中子來源。2.超新星環(huán)境匹配：超新星爆發(fā)（特別是核心坍縮型II型超新星和中子星合并）能夠提供上述條件。爆發(fā)沖擊波掃過富含氦或碳氧的核心區(qū)域，產(chǎn)生極高的中子密度。同時(shí)，中微子能量沉積在沖擊波后部可以加熱中微子吸收物質(zhì)，延長中子存活時(shí)間，形成中子冷卻時(shí)間窗口。3.產(chǎn)物特征：r-process理論上可以合成從錒系元素（如錒系元素）到超鈾元素（如鋦Cm）的整個(gè)周期系，且產(chǎn)物具有特殊同位素豐度特征，如具有高豐度的中等質(zhì)量同位素（“駝峰”結(jié)構(gòu)）和極低的錒系元素偶偶同位素豐度。4.觀測證據(jù)：*元素豐度：宇宙中重元素（特別是比鉛重的元素）豐度遠(yuǎn)超普通核合成理論（如s過程）所能解釋的水平，尤其是在金屬貧星系中，重元素豐度與鐵豐度（Fe/H）呈線性關(guān)系，這是r-process廣泛發(fā)生的標(biāo)志。*同位素比例：對(duì)某些重元素（如鋦Cm）的同位素比例測量，與超新星或中子星合并模型預(yù)測的結(jié)果高度吻合。*中微子探測：幾次近距離超新星（如SN1987A）的中微子探測事件，不僅驗(yàn)證了超新星爆發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模型，也間接證實(shí)了爆發(fā)中心發(fā)生了劇烈的核過程，包括大量的中子生成，