2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核子間的強(qiáng)引力作用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在原子核內(nèi)部，將質(zhì)子和中子緊密束縛在一起的主要相互作用力是？A.電磁力B.萬有引力C.強(qiáng)相互作用力D.弱相互作用力2.下列關(guān)于強(qiáng)相互作用力的描述，哪一項(xiàng)是正確的？A.它的作用范圍與電磁力相同B.它是自然界中最弱的相互作用力C.它負(fù)責(zé)傳遞原子核的電磁能D.它的作用范圍是短程的，通常在飛米（fm）量級(jí)3.強(qiáng)相互作用力主要通過哪種粒子（或其等效表現(xiàn)）來傳遞？A.光子B.中微子C.π介子D.伽馬射線量子4.核力具有“飽和性”，這意味著？A.核力隨著原子核半徑增大而線性增強(qiáng)B.核力只存在于相鄰的核子之間C.每個(gè)核子在原子核中的有效作用次數(shù)有限D(zhuǎn).核力與核子電荷的平方成正比5.強(qiáng)相互作用力與電磁相互作用力的主要區(qū)別之一在于？A.強(qiáng)相互作用力比電磁力強(qiáng)得多B.只有強(qiáng)相互作用力能產(chǎn)生引力的效果C.強(qiáng)相互作用力具有宇稱守恒，而電磁力不守恒D.強(qiáng)相互作用力只作用于電子，而電磁力作用于所有帶電粒子6.量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）理論的主要目標(biāo)是描述哪種相互作用？A.電磁相互作用B.弱相互作用C.強(qiáng)相互作用D.萬有引力7.π介子（特別是π?和π?介子）被認(rèn)為是早期核力理論中的關(guān)鍵媒介粒子，它們的主要作用是？A.負(fù)責(zé)將夸克束縛在質(zhì)子或中子內(nèi)B.傳遞質(zhì)子與中子之間的吸引力C.使原子核的體積隨著質(zhì)量數(shù)增加而增大D.在放射性衰變中改變?cè)雍说馁|(zhì)子數(shù)8.原子核能夠存在，主要是因?yàn)?？A.核子之間存在范德華力B.強(qiáng)相互作用力克服了質(zhì)子之間的電磁斥力C.原子核內(nèi)部存在大量的空隙D.核子通過共享電子對(duì)相互吸引9.“色力”這一概念主要出現(xiàn)在哪個(gè)理論中，用以解釋強(qiáng)相互作用？A.量子電動(dòng)力學(xué)（QED）B.量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）C.電磁理論D.弱相互作用理論10.深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)的主要意義在于？A.證明原子核是空心的B.證明原子核內(nèi)部存在質(zhì)子和中子C.限制強(qiáng)相互作用力作用的距離D.揭示出質(zhì)子和中子具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線處）1.強(qiáng)相互作用是自然界四種基本相互作用之一，它主要負(fù)責(zé)將______束縛在質(zhì)子和中子內(nèi)部，以及將質(zhì)子和中子束縛在______內(nèi)。2.強(qiáng)相互作用力與其他三種基本相互作用相比，其特點(diǎn)是作用范圍______、強(qiáng)度______。3.π介子主要通過______的方式傳遞核力，這種模型被稱為______。4.核力的“飽和性”意味著一個(gè)核子只對(duì)其鄰近的______個(gè)核子有顯著作用，原子核的總結(jié)合能不隨核子數(shù)線性增加。5.描述強(qiáng)相互作用的現(xiàn)代理論是______，它認(rèn)為質(zhì)子和中子是由更基本的粒子——______組成的。6.強(qiáng)相互作用能夠克服電磁斥力束縛原子核，是因?yàn)楹肆υ诙坛虄?nèi)比電磁力______得多。7.強(qiáng)相互作用與電磁相互作用都遵守______定律，但弱相互作用和引力相互作用則不遵守。8.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為______，它們都由三個(gè)______通過強(qiáng)相互作用結(jié)合而成。9.除了質(zhì)子和中子，已知參與強(qiáng)相互作用的粒子還有______和______。10.由于強(qiáng)相互作用具有宇稱不守恒的特性，因此某些涉及強(qiáng)相互作用的______過程也一定伴隨著弱相互作用的發(fā)生。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)潔明了地回答下列問題）1.簡(jiǎn)述強(qiáng)相互作用力與電磁相互作用力的主要區(qū)別。2.什么是核力的飽和性？請(qǐng)簡(jiǎn)要解釋其物理意義。3.簡(jiǎn)要說明π介子在介子核力理論中扮演的角色。4.為什么說強(qiáng)相互作用是短程力？其作用范圍大約是多少？5.簡(jiǎn)述強(qiáng)相互作用在維持原子核穩(wěn)定性方面所起的作用。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的公式和計(jì)算步驟）1.假設(shè)核力是標(biāo)量勢(shì)V(r)作用的結(jié)果，且V(r)在r=r?時(shí)達(dá)到最大值V?，隨后隨r增大而指數(shù)衰減，V(r)=V?*exp(-r/r?)。若兩個(gè)質(zhì)子相距為2r?，估算它們之間的核力勢(shì)能（設(shè)質(zhì)子質(zhì)量為m，可忽略相對(duì)論效應(yīng)）。2.已知質(zhì)子半徑約為r_p≈0.8fm，中子半徑約為r_n≈1.0fm。估算一個(gè)由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的氦-4核（α粒子）的等效半徑（提示：可作簡(jiǎn)化模型考慮核子接觸）。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，全面深入地回答下列問題）1.試述從早期核力二體力模型到現(xiàn)代量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）理論的發(fā)展歷程，并簡(jiǎn)析QCD理論的核心思想及其意義。2.結(jié)合強(qiáng)相互作用的特點(diǎn)，討論其在天體物理過程（如恒星內(nèi)部核聚變）中的重要性。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.C4.C5.A6.C7.B8.B9.B10.D二、填空題1.夸克，原子核2.小，強(qiáng)3.交換，核力交換模型4.幾（或約三個(gè)）5.量子色動(dòng)力學(xué)（QCD），夸克6.強(qiáng)7.電荷守恒8.強(qiáng)子，夸克9.夸克，膠子10.原子核（或核子）三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：對(duì)比兩種作用力的來源（基本粒子性質(zhì)vs.粒子電荷）、作用范圍（短程vs.長(zhǎng)程）、相對(duì)強(qiáng)度（強(qiáng)vs.弱）、參與粒子（強(qiáng)子vs.所有帶電粒子/有質(zhì)量粒子）、是否遵守宇稱守恒（強(qiáng)、電磁vs.弱不守恒）等關(guān)鍵特征。*答案要點(diǎn)：強(qiáng)相互作用源于基本粒子（夸克、膠子）的顏色屬性，作用范圍極短（飛米量級(jí)），強(qiáng)度遠(yuǎn)大于電磁力，主要參與強(qiáng)子（質(zhì)子、中子、介子等）之間的相互作用，且遵守宇稱守恒。電磁相互作用源于帶電粒子的電荷屬性，作用范圍可長(zhǎng)可短（取決于電荷），強(qiáng)度小于強(qiáng)相互作用，參與所有帶電粒子之間的相互作用，遵守宇稱守恒。弱相互作用參與費(fèi)米子（所有強(qiáng)子、輕子）之間的相互作用，作用范圍更短，強(qiáng)度遠(yuǎn)小于強(qiáng)、電磁力，且不遵守宇稱守恒。2.解析思路：核力飽和性指一個(gè)核子只對(duì)其最近的幾個(gè)核子有強(qiáng)作用力，隨著原子核半徑增大，新增核子的加入并不會(huì)顯著增加原子核的總結(jié)合能，或者說總結(jié)合能隨核子數(shù)的變化不是線性的。*答案要點(diǎn)：核力的飽和性是指核力具有局域性，一個(gè)核子只與它最近鄰的少數(shù)幾個(gè)核子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，其效果不像化學(xué)鍵那樣隨距離增加而迅速衰減，而是當(dāng)核子間距超過一定值后作用就很弱了。因此，原子核的總結(jié)合能不隨核子數(shù)線性增加，而是趨于飽和。3.解析思路：π介子理論認(rèn)為核力是通過核子（質(zhì)子和中子）之間虛π介子的交換來傳遞的。π介子作為強(qiáng)相互作用的媒介粒子，在核子間跑動(dòng)時(shí)傳遞能量和動(dòng)量，產(chǎn)生吸引力（主要是π?和π?介子交換）或有時(shí)是排斥力（π?介子交換）。*答案要點(diǎn)：在介子核力理論中，π介子（π?,π?,π?）被視為傳遞核子之間強(qiáng)相互作用力的媒介粒子。核力被認(rèn)為是核子之間虛π介子的交換效應(yīng)。當(dāng)核子發(fā)射并迅速吸收一個(gè)虛π介子時(shí)，相互作用就發(fā)生了，這種交換過程產(chǎn)生了將核子束縛在一起的吸引力。4.解析思路：強(qiáng)相互作用由帶有“顏色”電荷的夸克和傳遞“顏色”電荷的膠子介導(dǎo)，這些粒子非常重（能量高），根據(jù)不確定性原理，高能量粒子只能存在極短的時(shí)間，這意味著它們只能傳播極短的距離。實(shí)驗(yàn)上，強(qiáng)相互作用力的有效范圍大約在1-2飛米（fm）內(nèi)。*答案要點(diǎn)：強(qiáng)相互作用是由帶色夸克和傳遞色力的膠子介導(dǎo)的。由于傳遞強(qiáng)相互作用的媒介粒子（主要是虛膠子，以及來自夸克湮滅產(chǎn)生的虛π介子等）具有相當(dāng)大的質(zhì)量（能量），根據(jù)海森堡不確定性原理，它們只能存在極短暫的時(shí)間（Δt），這意味著它們能夠傳播的距離非常有限。實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)相互作用力的有效作用范圍大約在1-2飛米（fm）之內(nèi)，因此它是短程力。5.解析思路：質(zhì)子帶正電，之間存在電磁斥力。原子核能夠穩(wěn)定存在，是因?yàn)楹俗又g存在的強(qiáng)大核力（強(qiáng)相互作用）比電磁斥力強(qiáng)得多，并且作用范圍足夠短，足以將所有核子緊密束縛在一起。核力是短程力，隨著距離增大迅速衰減，因此即使在帶電的質(zhì)子組成的原子核中，靠近的核子之間的強(qiáng)吸引力占主導(dǎo)地位。*答案要點(diǎn)：原子核能夠穩(wěn)定存在，關(guān)鍵在于強(qiáng)相互作用提供的強(qiáng)大吸引力。質(zhì)子和中子都參與強(qiáng)相互作用，這個(gè)力能夠克服質(zhì)子之間因同種電荷而產(chǎn)生的電磁排斥力。強(qiáng)相互作用力比電磁力強(qiáng)得多，并且是短程力，其作用范圍僅限于飛米量級(jí)，確保了只有鄰近的核子之間才有顯著的強(qiáng)吸引力，從而將整個(gè)原子核牢固地束縛在一起。四、計(jì)算題1.解析思路：根據(jù)題目給出的勢(shì)能函數(shù)V(r)=V?*exp(-r/r?)，將核子間距r=2r?代入該函數(shù)表達(dá)式，即可計(jì)算出勢(shì)能。注意，此處的勢(shì)能表達(dá)式是簡(jiǎn)化模型，并非真實(shí)的核力勢(shì)能。*答案要點(diǎn)：V(2r?)=V?*exp(-2r?/r?)=V?*exp(-2)≈V?*0.135。計(jì)算結(jié)果為V(2r?)≈0.135*V?。2.解析思路：作簡(jiǎn)化模型，假設(shè)α粒子由四個(gè)半徑分別為r_p和r_n的核子緊密接觸而成。α粒子的等效半徑可以近似看作這四個(gè)核子構(gòu)成的“等效球體”的半徑?？紤]核子接觸時(shí)，等效半徑略大于兩個(gè)質(zhì)子半徑之和（因?yàn)橹凶右矃⑴c），或者可以取四個(gè)核子半徑的平均值加一個(gè)小的修正。更合理的模型是考慮它們構(gòu)成一個(gè)近似球形結(jié)構(gòu)，等效半徑R大致等于這些核子構(gòu)成的立方體或球形包圍層的半徑。一個(gè)簡(jiǎn)單的估算可以是R≈(r_p+r_n)/√3+Δ（Δ為小量修正）或R≈(r_p+r_n)/2（若視為緊密堆積）。*答案要點(diǎn)：取r_p≈0.8fm,r_n≈1.0fm。若作簡(jiǎn)化估算，可將α粒子視為四個(gè)半徑為(r_p+r_n)/2的核子組成的球形實(shí)體，其等效半徑R≈(0.8fm+1.0fm)/2=1.4fm。若考慮更緊密堆積或更精確模型，結(jié)果可能略有不同，但量級(jí)應(yīng)在1.2fm至1.5fm之間。五、論述題1.解析思路：*早期（二體力模型）：1935年湯川秀樹提出介子理論，認(rèn)為核力由交換的介子傳遞。初期的二體力模型（如蓋莫夫-泰勒模型）將核力簡(jiǎn)化為兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子之間交換一個(gè)負(fù)π介子，能粗略解釋結(jié)合能的飽和性，但無法解釋電荷independence（或稱isospininvariance），且參數(shù)不能由基本原理導(dǎo)出。*發(fā)展（多介子模型、三體力模型）：后續(xù)發(fā)展出三體力模型等，試圖改進(jìn)對(duì)電荷依賴性的描述，但仍面臨復(fù)雜性和唯象性的問題。*現(xiàn)代（量子色動(dòng)力學(xué)QCD）：20世紀(jì)70年代，隨著粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立，特別是QCD理論的完善，強(qiáng)相互作用被認(rèn)識(shí)到是夸克和膠子之間通過交換膠子（傳遞色力）的相互作用。QCD是建立在量子場(chǎng)論基礎(chǔ)上的基本理論，它將強(qiáng)子（質(zhì)子、中子、介子等）解釋為由更基本的夸克組成的復(fù)合粒子。QCD不僅成功解釋了強(qiáng)相互作用的各種現(xiàn)象（如強(qiáng)子結(jié)構(gòu)、電磁耦合常數(shù)隨能量變化、強(qiáng)相互作用的質(zhì)量生成等），還預(yù)言了膠子的存在。QCD將強(qiáng)相互作用描述為色力的量子場(chǎng)論表現(xiàn)，是現(xiàn)代粒子物理和核物理的基石。它基于SU(3)對(duì)稱性描述夸克的“顏色”電荷。*意義：QCD統(tǒng)一了描述強(qiáng)相互作用的規(guī)律，揭示了強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用的基本機(jī)制，是粒子物理學(xué)中最成功的理論之一，也是理解物質(zhì)構(gòu)成的關(guān)鍵。2.解析思路：*恒星內(nèi)部核聚變：恒星（如太陽）的能量來源于其核心區(qū)域發(fā)生的核聚變反應(yīng)。這些反應(yīng)需要極高的溫度和壓力來克服原子核之間的電磁斥力。在極高能量條件下，強(qiáng)相互作用變得非常重要。*質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)：太陽等低質(zhì)量恒星主要通過質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)產(chǎn)生能量。該反應(yīng)鏈中的第一步是兩個(gè)質(zhì)子通過強(qiáng)相互作用（具體是弱相互作用引發(fā)的質(zhì)子-質(zhì)子散射過程中的β?衰變，并涉及強(qiáng)相互作用交換虛π介子）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)氘核（由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成）、一個(gè)正電子和一個(gè)中微子。隨后，氘核與其他質(zhì)子發(fā)生核聚變生成氦-3，并釋放能量。整個(gè)鏈反應(yīng)中，從質(zhì)子到氦核的轉(zhuǎn)化涉及多次核聚變，每次核聚變都伴隨著質(zhì)量虧損和能量釋放。*碳-氮-氧（CNO）循環(huán)：在更massive的恒星中，核心溫度更高，主要發(fā)生CNO循環(huán)。該循環(huán)同樣涉及將氫聚變成氦，但利用碳、氮、氧作為催化劑。循環(huán)中的關(guān)鍵步驟，如碳原