2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核物理專業(yè)專業(yè)素質(zhì)評價考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.原子核的自旋量子數(shù)是由核內(nèi)質(zhì)子和中子的總角動量矢量和而得到的，對于偶偶核，其自旋宇稱為______。2.在核反應(yīng)過程中，必須嚴(yán)格遵守的守恒定律包括能量守恒、動量守恒、角動量守恒、______守恒和電荷守恒。3.放射性同位素鐳-226（22?Ra）的半衰期約為1600年，其衰變常數(shù)λ約為______（單位：年?1）。4.當(dāng)用能量為E的γ光子照射原子核時，如果E大于原子核的結(jié)合能，可能發(fā)生的核過程包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和______。5.在核反應(yīng)堆中，常用作慢化劑的材料是______，它可以將快中子有效地減速為熱中子。6.半導(dǎo)體探測器（如硅探測器）探測帶電粒子時主要利用的是粒子與半導(dǎo)體材料相互作用產(chǎn)生的______效應(yīng)。7.根據(jù)核殼模型，原子核的magicnumbers（幻數(shù)）為2,8,20,28,50,82,126，具有這些數(shù)目質(zhì)子或中子的原子核通常具有______穩(wěn)定性。8.α衰變過程中，原子核放出一個α粒子（即一個氦核），其質(zhì)量數(shù)A和電荷數(shù)Z的變化分別為______和______。9.1Curie(Ci)的放射性強度的定義是1克鐳-226的放射性衰變率，其數(shù)量級為______Bq（貝可勒爾）。10.核輻射防護中，通常采用的時間防護、距離防護和______防護三種基本方法。二、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪種核模型主要解釋了原子核的液滴性質(zhì)？()A.殼模型B.集體模型C.粒子模型D.相互作用模型2.一個原子核發(fā)生β?衰變后，其質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N的變化是？()A.Z增1，N減1B.Z減1，N增1C.Z增1，N增1D.Z減1，N減13.對于給定的核反應(yīng)Q>0，下列說法正確的是？()A.該反應(yīng)在任何條件下都能發(fā)生B.該反應(yīng)一定能釋放能量C.該反應(yīng)不可能發(fā)生D.反應(yīng)能否發(fā)生與反應(yīng)截面有關(guān)4.在核反應(yīng)23?U+n→23?Pu+X中，X代表什么粒子？()A.α粒子B.β?粒子C.中子D.気核5.下列哪種探測器最適用于探測高能γ射線？()A.閃爍探測器B.G-M計數(shù)器C.半導(dǎo)體探測器D.鋰漂移探測器6.根據(jù)核力性質(zhì)，原子核內(nèi)的核子間主要存在什么作用？()A.靜電排斥力B.磁力C.強相互作用D.引力7.放射性衰變定律描述了放射性核數(shù)的減少規(guī)律，其數(shù)學(xué)形式通常為N(t)=N?e?λt，其中λ代表？()A.初始核數(shù)B.衰變常數(shù)C.半衰期D.平均壽命8.在核反應(yīng)堆中，控制棒的主要作用是？()A.提高中子增殖因子B.減緩中子速度C.吸收中子，調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率D.產(chǎn)生中子9.康普頓效應(yīng)主要發(fā)生在哪種相互作用過程中？()A.γ射線與原子核B.γ射線與原子內(nèi)層電子C.γ射線與原子外層電子D.α粒子與電子10.原子核的放射性是指原子核自發(fā)地發(fā)生變化并釋放出射線的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要源于？()A.核內(nèi)質(zhì)子數(shù)過多B.核內(nèi)中子數(shù)過多C.核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的不穩(wěn)定配比D.核外電子層躍遷三、判斷題（每題1分，共10分。請將正確項填“√”，錯誤項填“×”）1.所有原子核的半徑都可以用R=R?A^(1/3)（R?為常數(shù)）公式近似表示。（）2.核裂變是指重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的核，同時釋放出巨大的能量。（）3.半衰期是描述放射性核素衰變快慢的物理量，其值由原子核內(nèi)部性質(zhì)決定，與外界環(huán)境（如溫度、壓力）無關(guān)。（）4.在核反應(yīng)方程中，反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量數(shù)（A）和電荷數(shù)（Z）總是守恒的。（）5.β?衰變是指原子核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個中子，同時放出一個正電子和一個中微子。（）6.核輻射可以穿透一定厚度的物質(zhì)，穿透能力與輻射類型和物質(zhì)密度有關(guān)。（）7.G-M計數(shù)器可以用來測量任意能量的γ射線或X射線的強度。（）8.核力是短程力，其作用范圍大約在1-2費米（femtometer,fm）之內(nèi)。（）9.原子核的結(jié)合能越大，說明該原子核越穩(wěn)定。（）10.中子是電中性的，因此它不會被電場偏轉(zhuǎn)，也不與原子核發(fā)生靜電相互作用。（）四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述核殼模型的基本思想及其成功之處。2.解釋什么是核反應(yīng)截面，并說明其物理意義。3.列舉三種常見的核輻射類型，并簡要說明它們是由原子核內(nèi)部過程產(chǎn)生的。4.簡述半導(dǎo)體探測器探測帶電粒子的基本原理。五、計算題（每題10分，共30分）1.已知某放射性同位素的半衰期為5天。假設(shè)現(xiàn)在有100毫克這種同位素，求：a.3天后剩余多少毫克？b.經(jīng)過多少時間，剩余量減為初始量的1/16？2.一個能量為4.0MeV的α粒子與靜止的鈹-9（?Be）核發(fā)生彈性散射，散射角為60°。假設(shè)α粒子的質(zhì)量為m_α，鈹-9核的質(zhì)量為m_9(m_9≈4m_α)。求：a.散射后α粒子的動能。b.散射后鈹-9核的動能。3.考慮核反應(yīng)：?He+2H→?Li+X。已知?He的質(zhì)量為4.002603u，2H的質(zhì)量為2.014102u，?Li的質(zhì)量為6.015123u。求：a.該核反應(yīng)的質(zhì)量虧損（Δm）。b.該核反應(yīng)釋放的能量（Q值，單位：MeV。提示：1u=931.5MeV/c2）。---六、論述題（10分）結(jié)合核物理的基本知識，簡述核能的獲取主要有哪兩種途徑，并分別說明其基本原理、主要過程和面臨的挑戰(zhàn)。---試卷答案一、填空題1.偶2.角動量3.0.0004374.電子俘獲5.水或重水6.內(nèi)光電7.特別高8.減4；減29.3.7×101?10.屏蔽二、選擇題1.B2.B3.B4.C5.C6.C7.B8.C9.C10.C三、判斷題1.×2.√3.√4.√5.√6.√7.×8.√9.√10.√四、簡答題1.解析思路：核殼模型將原子核比作一個包含質(zhì)子和中子的“原子”，核子填充在一系列分立的能級上，類似于原子中的電子殼層。當(dāng)核子填滿某個殼層時，原子核就特別穩(wěn)定。成功之處在于能很好地解釋原子核的幻數(shù)、結(jié)合能的系統(tǒng)性變化以及核的穩(wěn)定性。答案：核殼模型認為原子核中的核子（質(zhì)子和中子）像原子中的電子一樣，填充在一系列分立的能級（殼層）上。每個能級都有一定的容量。當(dāng)原子核的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)填滿某個完整的殼層時，該核特別穩(wěn)定，稱為“幻數(shù)核”。該模型成功解釋了原子核的幻數(shù)、結(jié)合能曲線的形狀以及核的穩(wěn)定性。2.解析思路：核反應(yīng)截面是描述一個核反應(yīng)發(fā)生難易程度的物理量，形象地理解為靶核周圍存在一個“幾何靶”，反應(yīng)發(fā)生的概率與這個靶的大小有關(guān)。截面越大，表示核反應(yīng)越容易發(fā)生。單位通常為靶恩（b）。答案：核反應(yīng)截面是描述單位面積上的靶核發(fā)生某個特定核反應(yīng)（如散射、吸收等）概率大小的物理量。它衡量了核反應(yīng)發(fā)生的難易程度?？梢韵胂蟪砂泻酥車嬖谝粋€以核為中心的“靶區(qū)”，反應(yīng)發(fā)生的概率正比于這個靶區(qū)的面積。截面越大，表示核反應(yīng)越容易發(fā)生。常用單位是靶恩（b），1b=10?2?m2。3.解析思路：核輻射類型主要指放射性衰變過程中釋放的粒子或光子。α粒子是氦核，來自α衰變；β粒子是電子或正電子，來自β?或β?衰變；γ光子是高能光子，通常伴隨α或β衰變放出的能量，是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級或基態(tài)時釋放的。答案：常見的核輻射類型有：α輻射（氦核，?He2?），來自原子核的α衰變；β輻射（高速電子或正電子），來自原子核的β?或β?衰變；γ輻射（高能光子），通常伴隨α或β衰變，是原子核從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或較低能態(tài)時釋放的能量。4.解析思路：半導(dǎo)體探測器利用半導(dǎo)體材料（如硅Si）的禁帶寬度較寬，對帶電粒子較敏感。當(dāng)帶電粒子入射到半導(dǎo)體中時，會損失能量，產(chǎn)生電子-空穴對。這些載流子被外加電場加速，形成電流脈沖，從而探測到粒子并確定其能量和（有時）位置。答案：半導(dǎo)體探測器利用半導(dǎo)體材料（如硅、鍺）作為探測介質(zhì)。當(dāng)帶電粒子（如α粒子、β粒子、質(zhì)子等）射入半導(dǎo)體時，會損失能量并與原子相互作用，產(chǎn)生電子-空穴對。在外加電場作用下，這些載流子（電子和空穴）被分離并向相反方向漂移，形成可測量的電流脈沖。脈沖的幅度與粒子損失的能量有關(guān)，從而可以確定粒子的能量。通過測量脈沖幅度、時間和位置等信息，可以識別粒子種類和計數(shù)。五、計算題1.解析思路：利用放射性衰變定律公式N(t)=N?e?λt。首先計算衰變常數(shù)λ=ln(2)/T?。然后代入公式計算t=3天時的N(t)和t?使得N(t?)=N?/16。答案：a.λ=ln(2)/T?=ln(2)/5天≈0.1386天?1N(t)=N?e?λt=100mg*e?(0.1386*3)=100mg*e??.?1?≈100mg*0.659≈65.9mg剩余約65.9毫克。b.N(t?)/N?=e?λt?=1/16-λt?=ln(1/16)=-ln(16)=-4*ln(2)t?=(4*ln(2))/λ=(4*0.693)/0.1386≈20天需要約20天。2.解析思路：α粒子與鈹核彈性散射，系統(tǒng)（α+鈹）在碰撞前后動量守恒，動能守恒。利用動量守恒和能量守恒方程聯(lián)立求解散射后α粒子的速度（從而計算動能），再根據(jù)能量守恒求出鈹核的動能（或利用動量關(guān)系）。答案：設(shè)α粒子質(zhì)量為m，速度為v；鈹核質(zhì)量為M=4m，初速度為0，散射速度為V。散射角為θ=60°。a.動量守恒：mv=mv'cosθ+MVcosφ(φ為鈹核scatteredangle)0=mv'sinθ-MVsinφb.能量守恒：?mv2=?mv'2+?MV2從動量守恒第一式：mv'=MVcosφ/cosθ代入第二式：?mv2=?m(MVcosφ/cosθ)2+?MV2v2=(MVcosφ/cosθ)2+V2v2=V2(M2cos2φ+m2cos2θ)/m2cos2θv2=(4mV)2cos2φ+m2V2cos2θ/m2cos2θv2=16m2V2cos2φ+m2V2cos2θ/m2cos2θv2=16V2cos2φ+V2cos2θ/cos2θv2=V2(16cos2φ+cos2θ)/cos2θ由于0=mv'sinθ-MVsinφ=>mv'=MVsinφ/sinθ代入能量守恒：v2=(MVsinφ/sinθ)2+V2v2=V2(M2sin2φ+sin2θ)/sin2θ將v2=V2(16cos2φ+cos2θ)/cos2θ代入：V2(16cos2φ+cos2θ)/cos2θ=V2(M2sin2φ+sin2θ)/sin2θ16cos2φ+cos2θ=(M2sin2φ+sin2θ)cos2θ/sin2θ16cos2φ+cos2θ=4m2sin2φcos2θ+sin2θcos2θ/sin2θ16cos2φ+cos2θ=4m2sin2φcos2θ+cos2θ16cos2φ=4m2sin2φcos2θ4cos2φ=m2sin2φcos2θ4=m2tan2φcos2θ但更簡單的方法是利用速度比：v'/v=MVcosφ/(mvcosθ)=4cosφ/cos60°=8cosφv'=8vcosφ代入能量守恒：v2=(8vcosφ)2+V2v2=64v2cos2φ+V2V2=v2(1-64cos2φ)但需要找到v和V的關(guān)系。利用sin2θ+cos2θ=10=mv'sinθ-MVsinφ=>mv'=MVsinφ/sinθv'=8vcosφ=MVsinφ/sinθ8vcosφsinθ=MVsinφ8v=Msinφ/cosφsinθ=Mtanφ/sinθ再結(jié)合動量守恒第二式：0=mv'sinθ-MVsinφ=>mv'=MVsinφ/sinθv'=8vcosφ=MVsinφ/sinθ可以解出v'和V的比例關(guān)系，但更直接的是用已知的散射公式：v'=(m-M)/(m+M)*v=(m-4m)/(m+4m)*v=-3/5*v動能E'=?mv'2=?m(-3/5v)2=?m(9/25)v2=(9/25)*?mv2=(9/25)E?(E?為α初始動能)E'=(9/25)*4.0MeV=1.44MeVb.α粒子損失的能量=E?-E'=4.0MeV-1.44MeV=2.56MeV鈹核獲得的動能=E'=1.44MeV（也可以用動能守恒：E?=E'+E_v=1.44MeV+E_v=>E_v=2.56MeV）3.解析思路：質(zhì)量虧損Δm是反應(yīng)前粒子總質(zhì)量與反應(yīng)后粒子總質(zhì)量之差。Q值是質(zhì)量虧損乘以光速平方（或用MeV/c2單位直接計算）。根據(jù)核反應(yīng)方程，反應(yīng)物是?He和2H，生成物是?Li和X。答案：a.核反應(yīng)方程：?He+2H→?Li+X反應(yīng)前總質(zhì)量：m_He+m_H=4.002603u+2.014102u=6.016704u反應(yīng)后總質(zhì)量：m_Li+m_X=6.015123u+m_X質(zhì)量虧損Δm=(m_He+m_H)-(m_Li+m_X)=6.016704u-6.015123u-m_XΔm=0.001581u-m_X由于反應(yīng)是生成?Li，X應(yīng)該是1H（質(zhì)子），其質(zhì)量m_X≈1.007825u。Δm=0.001581u-1.007825u=-0.006244u（注意：這里計算出的Δm為負值，說明反應(yīng)前質(zhì)量大于反應(yīng)后質(zhì)量，Q值也為負，這是一個吸能反應(yīng)，實際上這個反應(yīng)在低能條件下不能直接發(fā)生，需要更高能量或間接過程。但按題目給的數(shù)據(jù)計算，質(zhì)量虧損為-0.006244u）b.Q值=Δm*c2=(-0.006244u)*(931.5MeV/u)Q=-5.807Me