2025年大學(xué)《核物理》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——核物理學(xué)對(duì)宇宙加速膨脹的影響考試時(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.大爆炸核合成（BBN）過(guò)程中主要發(fā)生的核反應(yīng)類(lèi)型是？A.輕核的聚變B.重核的裂變C.中子俘獲過(guò)程（s過(guò)程）D.α粒子俘獲過(guò)程（p過(guò)程）2.宇宙加速膨脹的主要觀測(cè)證據(jù)來(lái)自于？A.宇宙微波背景輻射的溫度漲落B.視覺(jué)超新星的光度測(cè)量C.活動(dòng)星系核的射電輻射D.星系團(tuán)X射線發(fā)射3.導(dǎo)致宇宙加速膨脹的神秘力量通常被稱(chēng)作？A.恒星風(fēng)B.宇宙弦C.暗物質(zhì)D.暗能量4.中微子作為一種基本粒子，其最重要的核物理相關(guān)性質(zhì)之一是？A.電荷B.質(zhì)量（或幾乎無(wú)質(zhì)量）C.自旋D.色荷5.恒星內(nèi)部發(fā)生核聚變的主要驅(qū)動(dòng)力是？A.宇宙微波背景輻射壓B.恒星自身的引力C.核結(jié)合能的釋放D.恒星內(nèi)部的電磁場(chǎng)6.在標(biāo)準(zhǔn)模型中，傳遞核力（強(qiáng)相互作用）的基本粒子是？A.光子B.W和Z玻色子C.膠子D.中微子7.宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)對(duì)大爆炸宇宙學(xué)的哪個(gè)基本參數(shù)提出了挑戰(zhàn)？A.宇宙年齡B.宇宙總質(zhì)能密度C.宇宙的空間曲率D.宇宙的初始奇點(diǎn)8.下列哪一項(xiàng)不是解釋宇宙加速膨脹的主要理論模型？A.標(biāo)準(zhǔn)ΛCDM模型（引入暗能量）B.大反彈模型C.修正引力學(xué)說(shuō)D.原初黑洞形成模型9.核反應(yīng)rates（反應(yīng)率）是影響早期宇宙元素合成（如BBN）的關(guān)鍵因素，這些rates主要依賴(lài)于？A.宇宙的溫度B.宇宙的密度C.基本粒子的相互作用強(qiáng)度D.以上所有因素10.如果中微子具有顯著的質(zhì)量，可能會(huì)對(duì)宇宙早期演化和大尺度結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生什么影響？A.增加早期宇宙的輻射能量密度B.改變中微子振蕩的概率C.減緩宇宙的膨脹速率D.以上都有可能二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在答題紙上。）1.核物理中的_______是構(gòu)成原子核的兩種基本粒子，它們通過(guò)_______相互作用緊密結(jié)合在一起。2.宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)意味著宇宙的總能量密度中，_______占據(jù)了主導(dǎo)地位。3.除了質(zhì)子和中子，原子核中也可能存在的粒子是_______。4.核結(jié)合能曲線表明，質(zhì)量數(shù)在_______附近的原子核最穩(wěn)定。5.恒星生命末期，通過(guò)_______過(guò)程可以將鐵元素合成出來(lái)，該過(guò)程并不釋放能量。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分。請(qǐng)將答案寫(xiě)在答題紙上。）1.簡(jiǎn)述大爆炸核合成（BBN）發(fā)生的條件和主要產(chǎn)物。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明暗能量的主要特性及其在解釋宇宙加速膨脹中的作用。3.比較核聚變和核裂變?cè)谀芰酷尫艡C(jī)制和產(chǎn)物上的主要區(qū)別。四、論述題（每小題10分，共20分。請(qǐng)將答案寫(xiě)在答題紙上。）1.論述核反應(yīng)rates如何隨宇宙膨脹而變化，并解釋這一變化對(duì)早期宇宙核合成（如BBN）結(jié)果的影響。2.探討核物理中的哪些因素或現(xiàn)象可能對(duì)暗能量的性質(zhì)或宇宙加速膨脹的演化產(chǎn)生影響（請(qǐng)至少提出兩點(diǎn)并進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明）。五、計(jì)算題（共25分。請(qǐng)將計(jì)算過(guò)程和結(jié)果寫(xiě)在答題紙上。）1.假設(shè)在一個(gè)理想化的早期宇宙模型中，由于核反應(yīng)，質(zhì)子和中子的豐度隨溫度變化。已知在某個(gè)溫度T時(shí)，質(zhì)子數(shù)密度n_p和中子數(shù)密度n_n滿足關(guān)系n_n=n_p*e^(-Δm*/kT)，其中Δm*是質(zhì)子與中子的質(zhì)量差（約1MeV/c2），k是玻爾茲曼常數(shù)，T是開(kāi)爾文溫度。試定性描述當(dāng)宇宙溫度從T?（足夠高，中子可自由衰變）冷卻到T?（低于中子自由衰變溫度）時(shí)，質(zhì)子數(shù)密度和中子數(shù)密度的相對(duì)變化趨勢(shì)。（10分）2.宇宙加速膨脹的觀測(cè)證據(jù)之一是視超新星的距離模量M與其絕對(duì)星等M?的關(guān)系呈現(xiàn)出“凹陷”現(xiàn)象。這種凹陷暗示存在一種額外的減速效應(yīng)，通常歸因于暗能量的存在。簡(jiǎn)述你如何理解距離模量M=M?-5log??(d)+5log??(H?)，以及這種“凹陷”現(xiàn)象如何支持暗能量導(dǎo)致加速膨脹的觀點(diǎn)。（15分）試卷答案一、選擇題1.A2.B3.D4.B5.C6.C7.B8.D9.D10.D二、填空題1.質(zhì)子，中子，強(qiáng)相互作用2.暗能量3.中子4.鈾（或钚）5.超新星爆發(fā)（或核塌縮）三、簡(jiǎn)答題1.答案：BBN發(fā)生在宇宙誕生后約3分鐘，溫度降至約1億度。主要條件是：足夠高的溫度使輕核子（質(zhì)子、中子）處于熱平衡；足夠的物質(zhì)密度；以及能夠發(fā)生核反應(yīng)的溫度下降速率。主要產(chǎn)物是氫（約75%質(zhì)子數(shù)）、氦-4（約25%質(zhì)子數(shù)）以及少量鋰-7。解析思路：考察對(duì)BBN基本條件的掌握。需要知道時(shí)間（約3分鐘）、溫度（~10?K）、反應(yīng)物（質(zhì)子、中子）和產(chǎn)物（H,He,Li）。2.答案：暗能量的主要特性是具有負(fù)壓強(qiáng)（或稱(chēng)排斥性壓力）。它在宇宙的整個(gè)歷史上都存在，并且其密度（能量密度/體積）隨宇宙膨脹而減小，但速率較慢，因此逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致宇宙加速膨脹。解析思路：考察對(duì)暗能量核心特性的理解。關(guān)鍵在于負(fù)壓強(qiáng)及其隨宇宙膨脹的行為（密度下降慢）導(dǎo)致加速膨脹。3.答案：核聚變是輕核結(jié)合成較重核的過(guò)程，釋放出結(jié)合能，是恒星發(fā)光發(fā)熱的主要能量來(lái)源。核裂變是重核分裂成較輕核的過(guò)程，也釋放出結(jié)合能，常用于核電站和原子彈。兩者都是通過(guò)質(zhì)量虧損釋放能量，但聚變主要發(fā)生在低質(zhì)量區(qū)（如氫），裂變主要發(fā)生在高質(zhì)量區(qū)（如鈾）。解析思路：考察對(duì)兩種核反應(yīng)基本機(jī)制和特點(diǎn)的比較。需明確反應(yīng)物、產(chǎn)物、能量釋放方式和典型元素。四、論述題1.答案：核反應(yīng)rates正比于反應(yīng)物粒子數(shù)密度和溫度的某個(gè)冪次（通常與T3相關(guān)）。隨著宇宙膨脹，溫度T下降，導(dǎo)致反應(yīng)rates迅速減小。在BBN階段，當(dāng)溫度下降到質(zhì)子和中子開(kāi)始結(jié)合形成氘核時(shí)，反應(yīng)rates的急劇下降限制了輕元素（如氦-4）的最大豐度。因此，早期宇宙的膨脹速率和溫度下降速率直接決定了核合成的最終結(jié)果。解析思路：考察對(duì)反應(yīng)rates隨宇宙演化變化的定量理解（T依賴(lài)關(guān)系）及其對(duì)核合成豐度的定性影響。需要結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和宇宙膨脹的基本知識(shí)。2.答案：(示例1)中微子的質(zhì)量。中微子質(zhì)量會(huì)影響其與光子的相互作用（如電子-中微子散射），這可能會(huì)微調(diào)宇宙微波背景輻射的功率譜，從而影響對(duì)暗能量參數(shù)的約束。(示例2)核反應(yīng)rates的理論不確定性。如果早期宇宙中的關(guān)鍵核反應(yīng)rates與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期有顯著偏差（例如，由于未知的粒子或相互作用），將改變輕元素豐度，進(jìn)而影響對(duì)宇宙早期演化模型（包括暗能量成分）的推斷。解析思路：考察學(xué)生是否能夠?qū)⒑宋锢淼木唧w因素與宇宙學(xué)問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。要求提出合理假設(shè)，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其潛在影響機(jī)制。答案不唯一，關(guān)鍵在于邏輯合理性。五、計(jì)算題1.答案：當(dāng)宇宙溫度從T?冷卻到T?時(shí)，由于T減小，玻爾茲曼因子e^(-Δm*/kT)中的指數(shù)項(xiàng)增大。因此：*如果T?高于中子自由衰變溫度，初始n_n<n_p。*當(dāng)溫度冷卻至T?<T_neutron時(shí)，e^(-Δm*/kT)增大，使得n_n/n_p比值迅速增加，n_n增加，n_p相對(duì)減少。*同時(shí)，質(zhì)子中子反應(yīng)平衡建立后，隨著溫度進(jìn)一步下降，總的核子數(shù)密度(n_p+n_n)會(huì)因宇宙膨脹而按(1+H(t))3的速率減少，導(dǎo)致n_p和n_n都減少，但n_n的減少速率相對(duì)較慢（因?yàn)門(mén)更低時(shí)其反應(yīng)rates更?。?。*綜合來(lái)看，從T?冷卻到T?，質(zhì)子數(shù)密度n_p的相對(duì)數(shù)量減少更多，中子數(shù)密度n_n的相對(duì)數(shù)量顯著增加，最終形成氦豐度。解析思路：考察對(duì)n_n=n_p*e^(-Δm*/kT)公式的理解和應(yīng)用，以及結(jié)合宇宙膨脹（核子數(shù)密度隨體積增大而減?。┬?yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的能力。2.答案：距離模量M=M?-5log??(d)+5log??(H?)描述了天體apparentmagnitude(m)與absolutemagnitude(M)之間的關(guān)系，其中d是距離，H?是哈勃常數(shù)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于遙遠(yuǎn)超新星，其距離d越遠(yuǎn)（亮度越暗，M越負(fù)），其M與m之間的差異（即距離模量M）比標(biāo)準(zhǔn)模型