2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核物理學(xué)在探索未知領(lǐng)域中的價值考試時間：______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.下列哪一項不屬于核物理學(xué)研究的范疇？(A)原子核的組成和結(jié)構(gòu)(B)核力及其性質(zhì)(C)原子核的放射性衰變規(guī)律(D)原子外圍電子的排布和化學(xué)性質(zhì)2.根據(jù)核力性質(zhì)，以下關(guān)于原子核穩(wěn)定性描述錯誤的是？(A)核力是短程力，主要作用在相鄰核子之間(B)核力與電磁力類似，既有吸引力也有排斥力成分(C)重原子核的穩(wěn)定性主要取決于中子數(shù)的相對多少(D)所有原子核結(jié)合能都是正值，這表明原子核比組成它的自由核子更穩(wěn)定3.在中子俘獲反應(yīng)\(^A_ZX+n\rightarrow^A_{Z+1}Y+\gamma\)中，產(chǎn)生的原子核\(^A_{Z+1}Y\)如果處于激發(fā)態(tài)，它通常會發(fā)生什么過程來釋放能量？(A)發(fā)生α衰變(B)發(fā)生β?衰變(C)發(fā)生γ衰變(D)直接分裂成兩個較輕的核4.下面哪種探測器的原理是利用電離效應(yīng)，通過測量收集電離電荷來記錄粒子？(A)蓋革-米勒計數(shù)器(B)閃爍探測器(C)鋰漂移室(D)半導(dǎo)體探測器5.宇宙中比氫和氦豐度更高的元素，主要通過以下哪種核過程合成？(A)宇宙大爆炸核合成(B)恒星內(nèi)部的質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)(C)恒星內(nèi)部的CNO循環(huán)反應(yīng)(D)超新星爆發(fā)現(xiàn)象6.核醫(yī)學(xué)中用于治療癌癥的放射源，其放射線類型和能量選擇主要基于什么考慮？(A)放射源的半衰期長短(B)放射線對周圍健康組織的穿透深度和生物效應(yīng)(C)放射源的成本和生產(chǎn)難度(D)放射源在體內(nèi)的化學(xué)性質(zhì)7.在重離子加速器上進行的核物理實驗，其主要目的是探索什么？(A)原子核的輕元素部分結(jié)構(gòu)(B)原子核的集體運動特性(C)重原子核的裂變和聚變機制(D)原子核內(nèi)部的強子結(jié)構(gòu)（夸克模型）8.放射性同位素示蹤技術(shù)在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用，主要利用了其什么特性？(A)放出可見光(B)具有特定的化學(xué)性質(zhì)(C)放射性衰變的可測性和半衰期確定性(D)能產(chǎn)生強熱效應(yīng)9.天文學(xué)家通過觀測中子星的脈沖信號來研究其物理性質(zhì)，這主要體現(xiàn)了核物理知識在哪個領(lǐng)域的應(yīng)用價值？(A)材料科學(xué)(B)生命科學(xué)(C)天體物理學(xué)(D)地球物理學(xué)10.與傳統(tǒng)化學(xué)方法相比，利用核技術(shù)進行元素分析或同位素測定，其主要優(yōu)勢可能在于？(A)可以分析非晶態(tài)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣品(B)可以提供絕對豐度信息，靈敏度極高(C)分析過程更快速，操作更簡便(D)成本通常更低廉二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.原子核的放射性衰變遵循______定律，衰變率（活動度）隨時間呈指數(shù)衰減。2.標識粒子物理與核物理研究范疇界限的一個關(guān)鍵事件是______粒子的發(fā)現(xiàn)（或?qū)嶒灒?.核反應(yīng)過程中，系統(tǒng)的總能量（包括動能和結(jié)合能）守恒，這體現(xiàn)了______守恒定律。4.在核聚變反應(yīng)中，質(zhì)量虧損所對應(yīng)的能量以______的形式釋放出來，這基于愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2。5.探測來自宇宙深處的高能粒子（如宇宙射線）時，通常需要使用位于______的探測器陣列。6.在醫(yī)學(xué)成像中，正電子發(fā)射斷層掃描（PET）利用放射性示蹤劑衰變時產(chǎn)生的______進行成像。7.通過研究重離子碰撞產(chǎn)生的碎片，可以推斷原子核的______和成核機制。8.輻射對生物體的損傷效應(yīng)與輻射劑量有關(guān)，劑量單位______(名稱)是衡量電離輻射授予生物組織或體液的電離能量的物理量。9.某放射性同位素的半衰期為T?/?，經(jīng)過3T?/?時間后，該同位素剩余的百分比是______%。10.核物理研究不僅揭示了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，其發(fā)展也帶來了______和______兩大應(yīng)用方向。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述核子（質(zhì)子和中子）之間的核力與庫侖力有何主要區(qū)別？2.簡要說明核磁共振（NMR）技術(shù)的基本原理及其在醫(yī)學(xué)成像（MRI）中的應(yīng)用價值。3.為什么中子星和黑洞被認為是研究極端物理條件（如強引力場、超高密度）的理想天體物理實驗室？四、計算題（每題8分，共16分。請列出必要的公式和計算步驟）1.已知某放射性同位素的半衰期為10天。假設(shè)現(xiàn)在有1摩爾的該同位素，求：(1)10天后剩余多少摩爾的該同位素？(2)20天后剩余多少摩爾的該同位素？（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）2.一個能量為5MeV的α粒子（質(zhì)量約為4u）與靜止的靶核（如鈹核\(^9_4Be\)）發(fā)生彈性散射，散射角為60°。求：(1)散射后α粒子的動能是多少？(2)靶核（鈹核）的動能是多少？（結(jié)果用MeV表示，質(zhì)子質(zhì)量約為1u，α粒子質(zhì)量約為4u，可近似認為1u對應(yīng)931.5MeV/c2）五、論述題（10分。請結(jié)合具體實例，闡述核物理學(xué)在探索宇宙起源與演化方面的價值。）試卷答案-------------------------------------------------------------------一、選擇題1.(D)解析思路：核物理學(xué)主要研究原子核的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、反應(yīng)和衰變，以及核力等。原子外圍電子的排布和化學(xué)性質(zhì)屬于原子物理學(xué)和化學(xué)的研究范疇。2.(D)解析思路：雖然大多數(shù)原子核結(jié)合能是正值，表明原子核穩(wěn)定，但有些輕核（如氫原子核）的結(jié)合能是負的，表示它們是不穩(wěn)定的。原子核穩(wěn)定性與核力、中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)比例等多種因素有關(guān)。選項A、B、C描述均正確。3.(C)解析思路：原子核處于激發(fā)態(tài)時，具有額外的能量。為了達到較低的能量狀態(tài)，它會通過發(fā)射γ光子（即γ衰變）來釋放多余的能量。4.(A)解析思路：蓋革-米勒計數(shù)器通過氣體電離產(chǎn)生離子對，這些離子在強電場下復(fù)合并導(dǎo)致氣體放電，從而計數(shù)。其核心機制是收集電離電荷導(dǎo)致的放電。閃爍探測器是光探測器，鋰漂移室利用電荷在半導(dǎo)體中漂移探測，半導(dǎo)體探測器利用半導(dǎo)體材料吸收粒子并產(chǎn)生電信號。5.(D)解析思路：宇宙中重于氦的元素主要是在恒星內(nèi)部（特別是大質(zhì)量恒星）和超新星爆發(fā)過程中，通過核聚變反應(yīng)合成的。選項A主要合成比氫、氦更輕的元素。選項B、C是恒星內(nèi)合成氦及更輕元素的過程。6.(B)解析思路：放射治療需要精確控制放射線對腫瘤的殺傷作用，同時盡量減少對周圍健康組織的損傷。因此，選擇放射線的類型（α,β,γ,中子等）和能量，使其具有良好的穿透深度和生物效應(yīng)，既能穿透到腫瘤深處，又能在達到足夠劑量的同時，在腫瘤邊緣對健康組織的影響最小。7.(D)解析思路：重離子（如碳離子、氧離子）具有很高的動量，其在原子核上的散射截面對核的大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常敏感。通過測量不同能量重離子的散射截面、深度非彈性散射等，可以深入探索重原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、對稱能、成核機制等深層次信息。8.(C)解析思路：放射性同位素會持續(xù)發(fā)出可被探測到的射線，并且其衰變速率（由半衰期決定）是確定的。利用這一特性，可以將示蹤劑引入生物系統(tǒng)，通過追蹤其放射性信號，研究生物過程、代謝途徑、藥物分布等。9.(C)解析思路：中子星是恒星演化末期形成的密度極高的天體，其表面可能存在極強的磁場，內(nèi)部存在極端的重力場。研究中子星的脈沖信號（通常是中子星表面磁極發(fā)出的射電脈沖）有助于理解這些極端物理條件下的物理規(guī)律，以及引力波、高能宇宙射線等天體物理現(xiàn)象。10.(B)解析思路：核技術(shù)（如質(zhì)譜法、活化分析、中子活化分析等）能夠提供元素的同位素豐度信息，這種信息是絕對且獨特的，對于地質(zhì)年代測定、考古樣品分析、環(huán)境污染溯源等具有極高的靈敏度和準確性，這是許多化學(xué)分析方法難以比擬的優(yōu)勢。二、填空題1.指數(shù)解析思路：放射性衰變率隨時間呈指數(shù)衰減是放射性核素的基本特性，描述這一規(guī)律的數(shù)學(xué)模型是指數(shù)衰變定律。2.J/ψ或美國原子能委員會報告(AECDoc)解析思路：J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)（1974年）是粒子物理學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑，它間接證明了夸克模型的存在。同時，美國原子能委員會報告（AECDoc-10）的發(fā)表也標志著核物理與粒子物理的初步區(qū)分。此處填J/ψ更具代表性。3.能量解析思路：在核反應(yīng)中，雖然可能伴隨質(zhì)量虧損（轉(zhuǎn)化為能量），但反應(yīng)前后的總能量（動能+結(jié)合能的總和）是守恒的，這符合狹義相對論的能量守恒定律。4.能量解析思路：核聚變過程中，生成物的質(zhì)量小于反應(yīng)物的質(zhì)量，這部分“消失”的質(zhì)量根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2轉(zhuǎn)化為了巨大的能量釋放。5.高空或外太空解析思路：來自宇宙深處的高能粒子（宇宙射線）在到達地球表面時，會與大氣層發(fā)生多次相互作用和能量損失，因此需要在高空或太空中部署探測器。6.正電子解析思路：PET成像的物理基礎(chǔ)是正電子發(fā)射斷層掃描。放射性示蹤劑（如^18F-FDG）在體內(nèi)衰變時發(fā)射正電子，正電子與體內(nèi)電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生一對能量相等、方向相反的γ光子，探測器接收這兩道光子即可確定放射性源的位置。7.結(jié)構(gòu)解析思路：重離子碰撞模擬了宇宙早期或極端條件下的核合成過程。通過分析碰撞后產(chǎn)生的碎片（輕核和重核），可以推斷出靶核和入射離子的結(jié)構(gòu)信息，以及碰撞過程中發(fā)生的核反應(yīng)機制，進而研究原子核的演化。8.照射量當(dāng)量或當(dāng)量劑量解析思路：衡量電離輻射生物效應(yīng)的物理量是劑量當(dāng)量或當(dāng)量劑量。它考慮了不同類型輻射對生物組織的不同損傷能力，是國際單位制中的專用名稱（單位為希沃特Sv）。9.1/8或12.5解析思路：半衰期T?/?表示放射性活度減為原來一半所需的時間。經(jīng)過一個半衰期，剩余1/2；經(jīng)過兩個半衰期，剩余(1/2)2=1/4；經(jīng)過三個半衰期，剩余(1/2)3=1/8=12.5%。10.核能利用或能源生產(chǎn)與核武器解析思路：核物理研究的直接應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是利用核反應(yīng)釋放的能量發(fā)電等（核能利用/能源生產(chǎn)），二是利用核反應(yīng)（主要是裂變）制造大規(guī)模殺傷性武器（核武器）。三、簡答題1.核力是短程力，主要作用在相鄰核子之間（相隔幾個費米內(nèi)），吸引力遠強于質(zhì)子間的庫侖排斥力，這是原子核能夠穩(wěn)定存在的原因。庫侖力是長程力，存在于所有帶正電的粒子之間，且隨距離平方反比減弱，對原子核整體穩(wěn)定性起負面作用，但在質(zhì)子數(shù)較多時不可忽略。此外，核力具有飽和性，每個核子只與近鄰的幾個核子發(fā)生強相互作用，而庫侖力則因屏蔽效應(yīng)而隨距離增加而減弱。2.核磁共振（NMR）技術(shù)基于原子核（如氫核1H）在強外部磁場中會分裂成能級，當(dāng)施加特定頻率的射頻脈沖時，處于低能級的核會吸收能量躍遷到高能級。脈沖停止后，核會釋放能量回到低能級，產(chǎn)生能被檢測到的射頻信號。不同原子核在分子中的化學(xué)環(huán)境不同，其共振頻率也不同。MRI利用了體內(nèi)豐富氫核（主要在水和脂肪中）的NMR信號，通過精確控制射頻脈沖序列和梯度磁場，可以生成人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細圖像，因無電離輻射風(fēng)險而廣泛應(yīng)用于臨床診斷。3.中子星和黑洞是宇宙中物質(zhì)密度極高、引力極強的天體，它們的物理條件（如引力場強度、溫度、密度）遠超地球?qū)嶒炇宜苓_到的水平。核物理學(xué)家可以通過觀測這些天體發(fā)出的輻射（如X射線、伽馬射線），或者分析它們與其他天體的相互作用（如引力波），來檢驗極端條件下的核物理過程（如物質(zhì)方程、核反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、引力場對原子核的影響）是否遵循地球上的規(guī)律。這些觀測數(shù)據(jù)有助于完善和修正現(xiàn)有的核物理理論，并為研究物質(zhì)在極端狀態(tài)下的行為提供了獨特的窗口。四、計算題1.解：(1)根據(jù)放射性衰變定律N(t)=N?e^(-λt)，其中λ=ln(2)/T?/?。T?/?=10天，t=10天，N?=1摩爾。λ=ln(2)/10天≈0.0693天?1N(10天)=1*e^(-0.0693*10)=e^(-0.693)≈0.5摩爾。(2)t=20天。N(20天)=1*e^(-0.0693*20)=e^(-1.386)≈0.25摩爾。答：10天后剩余0.5摩爾，20天后剩余0.25摩爾。(1)根據(jù)放射性衰變定律N(t)=N?(1/2)^(t/T?/?)，其中N?=1摩爾，T?/?=10天，t=10天。N(10天)=1*(1/2)^(10/10)=(1/2)^1=0.5摩爾。(2)t=20天。N(20天)=1*(1/2)^(20/10)=(1/2)^2=0.25摩爾。答：10天后剩余0.5摩爾，20天后剩余0.25摩爾。2.解：設(shè)α粒子質(zhì)量為m?，靶核（鈹核）質(zhì)量為m?，α粒子初速度為v?，散射后α粒子速度為v?，靶核速度為v?。碰撞為彈性散射，遵守動量守恒和動能守恒。(1)沿α粒子初速度方向分解動量守恒：m?v?=m?v?cos60°+m?v?cosθ?（θ?為靶核散射角，因靶核質(zhì)量遠大，可近似認為v?cosθ?≈0）m?v?=m?v?(1/2)=>v?=2v?散射后α粒子的動能E?'=(1/2)m?v?2=(1/2)m?(2v?)2=2m?v?2。α粒子的初動能E?=(1/2)m?v?2=m?v?2。E?'/E?=2m?v?2/m?v?2=2。E?'=2E?=2*5MeV=10MeV。(2)靶核（鈹核）獲得的動能E?'=(1/2)m?v?2。由動能守恒：E?=E?'+E?'=10MeV+E?'。E?'=E?-E?'=5MeV-10MeV=-5MeV。此處結(jié)果為負值，說明在近似處理下，計算出的靶核動能極小，接近于零。若考慮更精確的非彈性散射或靶核運動，靶核會獲得極其微小的動能。若按彈性散射嚴格計算：v?=(m?/m?)*v?*sin60°≈(4/9)*v?*(√3/2)≈0.385v?。E?'=(1/2)m?(v?)2≈(1/2)*(9u/1u)*(0.385v?)2*(1u*(931.5MeV/c2)2/c?)≈4.5*0.148*(931.5)2