2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——核物理學對宇宙加速膨脹的影響考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在答題紙上。）1.大爆炸核合成（BBN）過程中主要發(fā)生的核反應類型是？A.輕核的聚變B.重核的裂變C.中子俘獲過程（s過程）D.α粒子俘獲過程（p過程）2.宇宙加速膨脹的主要觀測證據來自于？A.宇宙微波背景輻射的溫度漲落B.視覺超新星的光度測量C.活動星系核的射電輻射D.星系團X射線發(fā)射3.導致宇宙加速膨脹的神秘力量通常被稱作？A.恒星風B.宇宙弦C.暗物質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性質之一是？A.電荷B.質量（或幾乎無質量）C.自旋D.色荷5.恒星內部發(fā)生核聚變的主要驅動力是？A.宇宙微波背景輻射壓B.恒星自身的引力C.核結合能的釋放D.恒星內部的電磁場6.在標準模型中，傳遞核力（強相互作用）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)現對大爆炸宇宙學的哪個基本參數提出了挑戰(zhàn)？A.宇宙年齡B.宇宙總質能密度C.宇宙的空間曲率D.宇宙的初始奇點8.下列哪一項不是解釋宇宙加速膨脹的主要理論模型？A.標準ΛCDM模型（引入暗能量）B.大反彈模型C.修正引力學說D.原初黑洞形成模型9.核反應rates（反應率）是影響早期宇宙元素合成（如BBN）的關鍵因素，這些rates主要依賴于？A.宇宙的溫度B.宇宙的密度C.基本粒子的相互作用強度D.以上所有因素10.如果中微子具有顯著的質量，可能會對宇宙早期演化和大尺度結構形成產生什么影響？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。請將答案填在答題紙上。）1.核物理中的_______是構成原子核的兩種基本粒子，它們通過_______相互作用緊密結合在一起。2.宇宙加速膨脹的發(fā)現意味著宇宙的總能量密度中，_______占據了主導地位。3.除了質子和中子，原子核中也可能存在的粒子是_______。4.核結合能曲線表明，質量數在_______附近的原子核最穩(wěn)定。5.恒星生命末期，通過_______過程可以將鐵元素合成出來，該過程并不釋放能量。三、簡答題（每小題5分，共15分。請將答案寫在答題紙上。）1.簡述大爆炸核合成（BBN）發(fā)生的條件和主要產物。2.簡要說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在能量釋放機制和產物上的主要區(qū)別。四、論述題（每小題10分，共20分。請將答案寫在答題紙上。）1.論述核反應rates如何隨宇宙膨脹而變化，并解釋這一變化對早期宇宙核合成（如BBN）結果的影響。2.探討核物理中的哪些因素或現象可能對暗能量的性質或宇宙加速膨脹的演化產生影響（請至少提出兩點并進行簡要說明）。五、計算題（共25分。請將計算過程和結果寫在答題紙上。）1.假設在一個理想化的早期宇宙模型中，由于核反應，質子和中子的豐度隨溫度變化。已知在某個溫度T時，質子數密度n_p和中子數密度n_n滿足關系n_n=n_p*e^(-Δm*/kT)，其中Δm*是質子與中子的質量差（約1MeV/c2），k是玻爾茲曼常數，T是開爾文溫度。試定性描述當宇宙溫度從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，質子數密度和中子數密度的相對變化趨勢。（10分）2.宇宙加速膨脹的觀測證據之一是視超新星的距離模量M與其絕對星等M?的關系呈現出“凹陷”現象。這種凹陷暗示存在一種額外的減速效應，通常歸因于暗能量的存在。簡述你如何理解距離模量M=M?-5log??(d)+5log??(H?)，以及這種“凹陷”現象如何支持暗能量導致加速膨脹的觀點。（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.質子，中子，強相互作用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（質子、中子）處于熱平衡；足夠的物質密度；以及能夠發(fā)生核反應的溫度下降速率。主要產物是氫（約75%質子數）、氦-4（約25%質子數）以及少量鋰-7。解析思路：考察對BBN基本條件的掌握。需要知道時間（約3分鐘）、溫度（~10?K）、反應物（質子、中子）和產物（H,He,Li）。2.答案：暗能量的主要特性是具有負壓強（或稱排斥性壓力）。它在宇宙的整個歷史上都存在，并且其密度（能量密度/體積）隨宇宙膨脹而減小，但速率較慢，因此逐漸占據主導地位，導致宇宙加速膨脹。解析思路：考察對暗能量核心特性的理解。關鍵在于負壓強及其隨宇宙膨脹的行為（密度下降慢）導致加速膨脹。3.答案：核聚變是輕核結合成較重核的過程，釋放出結合能，是恒星發(fā)光發(fā)熱的主要能量來源。核裂變是重核分裂成較輕核的過程，也釋放出結合能，常用于核電站和原子彈。兩者都是通過質量虧損釋放能量，但聚變主要發(fā)生在低質量區(qū)（如氫），裂變主要發(fā)生在高質量區(qū)（如鈾）。解析思路：考察對兩種核反應基本機制和特點的比較。需明確反應物、產物、能量釋放方式和典型元素。四、論述題1.答案：核反應rates正比于反應物粒子數密度和溫度的某個冪次（通常與T3相關）。隨著宇宙膨脹，溫度T下降，導致反應rates迅速減小。在BBN階段，當溫度下降到質子和中子開始結合形成氘核時，反應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果。解析思路：考察對反應rates隨宇宙演化變化的定量理解（T依賴關系）及其對核合成豐度的定性影響。需要結合反應動力學和宇宙膨脹的基本知識。2.答案：(示例1)中微子的質量。中微子質量會影響其與光子的相互作用（如電子-中微子散射），這可能會微調宇宙微波背景輻射的功率譜，從而影響對暗能量參數的約束。(示例2)核反應rates的理論不確定性。如果早期宇宙中的關鍵核反應rates與標準模型預期有顯著偏差（例如，由于未知的粒子或相互作用），將改變輕元素豐度，進而影響對宇宙早期演化模型（包括暗能量成分）的推斷。解析思路：考察學生是否能夠將核物理的具體因素與宇宙學問題聯系起來。要求提出合理假設，并簡要說明其潛在影響機制。答案不唯一，關鍵在于邏輯合理性。五、計算題1.答案：當宇宙溫度從T?冷卻到T?時，由于T減小，玻爾茲曼因子e^(-Δm*/kT)中的指數項增大。因此：*如果T?高于中子自由衰變溫度，初始n_n<n_p。*當溫度冷卻至T?<T_neutron時，e^(-Δm*/kT)增大，使得n_n/n_p比值迅速增加，n_n增加，n_p相對減少。*同時，質子中子反應平衡建立后，隨著溫度進一步下降，總的核子數密度(n_p+n_n)會因宇宙膨脹而按(1+H(t))3的速率減少，導致n_p和n_n都減少，但n_n的減少速率相對較慢（因為T更低時其反應rates更?。?綜合來看，從T?冷卻到T?，質子數密度n_p的相對數量減少更多，中子數密度n_n的相對數量顯著增加，最終形成氦豐度。解析思路：考察對n_n=n_p*e^(-Δm*/kT)公式的理解和應用，以及結合宇宙膨脹（核子數密度隨體積增大而減小）效應進行動態(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)之間的關系，其中d是距離，H?是哈勃常數。觀測發(fā)現，對于遙遠超新星，其距離d越遠（亮度越暗，M越負），其M與m之間的差異（即距離模量M）比標準模型