2025年大學(xué)《核物理》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——核輻射在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.在核輻射地質(zhì)勘探中，利用γ射線測(cè)量地層中鉀含量主要依據(jù)的是：A.鈾系衰變鏈B.釷系衰變鏈C.鉀衰變產(chǎn)生的β射線D.鉀衰變產(chǎn)生的γ射線2.下列哪種核輻射探測(cè)器最適合測(cè)量能量范圍很寬的γ射線能譜？A.蓋革-米勒計(jì)數(shù)器B.閃爍計(jì)數(shù)器C.鋰漂移探測(cè)器D.閃爍-塞曼（SS）探測(cè)器3.在油氣測(cè)井中，利用中子源照射地層，通過(guò)測(cè)量二次中子（如快中子、熱中子）來(lái)計(jì)算地層孔隙度的原理是基于：A.中子與原子核的彈性散射B.中子與原子核的輻射俘獲C.中子與電子的相互作用D.中子自身的衰變4.與α射線相比，γ射線的主要特點(diǎn)是：A.穿透能力強(qiáng)，電離能力弱B.穿透能力弱，電離能力強(qiáng)C.射程短，易被紙阻擋D.射程長(zhǎng)，需要厚鉛屏蔽5.伽馬能譜測(cè)量的目的是什么？A.只測(cè)量總輻射強(qiáng)度B.只測(cè)量輻射時(shí)間間隔C.測(cè)量不同能量的γ射線及其計(jì)數(shù)，以識(shí)別放射性核素D.測(cè)量輻射源的絕對(duì)活度6.在進(jìn)行航空伽馬能譜測(cè)量時(shí)，為了減少宇宙射線和天然放射性本底的影響，通常需要：A.使用厚重的屏蔽材料B.選擇在夜間進(jìn)行測(cè)量C.利用屏蔽探測(cè)器或?qū)?shù)據(jù)作本底扣除D.提高探測(cè)器的探測(cè)效率7.利用放射性同位素（如氡氣）作為示蹤劑研究地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要利用了氡氣的什么特性？A.半衰期短，易于攜帶和追蹤B.半衰期長(zhǎng)，穩(wěn)定性好C.易溶于水D.輻射強(qiáng)度高8.核輻射防護(hù)中，通常所說(shuō)的ALARA原則是指：A.盡可能避免輻射暴露B.在輻射水平允許范圍內(nèi)盡量減少輻射劑量C.接受最大允許劑量的輻射D.只防護(hù)α射線9.在巖礦中子活化分析中，通常采用中子源照射樣品，然后測(cè)量樣品發(fā)射的什么輻射來(lái)確定樣品成分？A.原本存在的放射性核素衰變產(chǎn)生的輻射B.照射中子引起的感生放射性核素衰變產(chǎn)生的輻射C.中子與原子核發(fā)生散射產(chǎn)生的輻射D.樣品自身熱輻射10.與電阻率測(cè)井相比，自然伽馬測(cè)井在油氣勘探中的主要優(yōu)勢(shì)在于：A.能直接確定油氣層B.對(duì)巖性的反映更敏感，有助于識(shí)別含鉀礦物和空隙C.測(cè)量深度更大D.抗干擾能力強(qiáng)二、填空題（每空1分，共15分）1.放射性核素衰變遵循________規(guī)律，其活度隨時(shí)間呈指數(shù)衰減。2.α射線是帶________電荷的氦核流，其射程在空氣中很________，易被紙張或皮膚阻擋。3.β射線是帶________電荷的電子流（或正電子流），其射程比α射線長(zhǎng)，但比γ射線短，在物質(zhì)中易引起電離。4.γ射線是高能量的________光子流，不帶電，穿透能力強(qiáng)，需要使用鉛或混凝土進(jìn)行屏蔽。5.常用的核輻射探測(cè)器按工作原理可分為氣體探測(cè)器、________探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器和液體閃爍探測(cè)器四大類(lèi)。6.在地質(zhì)勘探中，利用γ射線測(cè)量地層中鈾、釷、鉀含量的方法通常稱(chēng)為_(kāi)_______法。7.利用中子與氫核（主要在孔隙中）發(fā)生慢化作用，然后測(cè)量熱中子分布來(lái)計(jì)算地層孔隙度的測(cè)井方法稱(chēng)為_(kāi)_______測(cè)井。8.放射性示蹤技術(shù)在地下水研究中，可以通過(guò)釋放示蹤劑，監(jiān)測(cè)其________和________，從而了解地下水的運(yùn)動(dòng)路徑和速度。9.核輻射防護(hù)通常分為_(kāi)_______防護(hù)、時(shí)間防護(hù)和距離防護(hù)三種基本方式。10.伽馬能譜分析中，根據(jù)峰位可以確定探測(cè)到的________核素，根據(jù)峰形可以判斷________和________。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述α、β、γ三種核輻射的主要物理特性（至少包括電離能力、穿透能力、射程等）及其在探測(cè)技術(shù)選擇上的意義。2.簡(jiǎn)述利用伽馬能譜測(cè)量進(jìn)行區(qū)域放射性礦產(chǎn)普查的基本原理和流程。3.簡(jiǎn)述中子測(cè)井在油氣勘探中用于確定地層孔隙度的基本原理。4.簡(jiǎn)述核輻射技術(shù)在環(huán)境地質(zhì)領(lǐng)域（如地質(zhì)年代測(cè)定或水文地質(zhì)研究）的一個(gè)具體應(yīng)用實(shí)例及其基本原理。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某放射性同位素的半衰期為5天。如果初始時(shí)刻該同位素的活度為1×10^12Bq，求：a.3天后該同位素的活度是多少？b.經(jīng)過(guò)多少時(shí)間，其活度衰減為初始值的一半？c.經(jīng)過(guò)多少時(shí)間，其活度衰減為初始值的1/16？2.假設(shè)進(jìn)行一次航空伽馬能譜測(cè)量，探測(cè)器在飛行高度為10km處，測(cè)得某個(gè)能量峰對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)率為100計(jì)數(shù)/秒。已知該能量峰由地面的鉀（K-40）衰變產(chǎn)生的40K的γ射線引起，該γ射線的能量為1.46MeV。假設(shè)大氣對(duì)γ射線的吸收遵從指數(shù)規(guī)律，吸收系數(shù)（μ）為0.1cm^-1。請(qǐng)估算地面40K的等效放射性活度濃度（單位：Bq/m^2，假設(shè)測(cè)量點(diǎn)上方大氣層均勻吸收）。*(注：結(jié)果只需體現(xiàn)計(jì)算思路，無(wú)需具體數(shù)值結(jié)果)*五、論述題（15分）結(jié)合核輻射探測(cè)的基本原理，論述在地質(zhì)勘探中選擇使用伽馬能譜測(cè)量、中子測(cè)井或自然伽馬測(cè)井時(shí)，應(yīng)考慮哪些地質(zhì)因素和技術(shù)因素，并說(shuō)明不同方法在勘探目標(biāo)上的主要側(cè)重點(diǎn)有何不同。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.A4.A5.C6.C7.A8.B9.B10.B二、填空題1.指數(shù)2.正；短3.負(fù)；長(zhǎng)4.電磁；強(qiáng)5.閃爍6.放射性7.中子孔隙度8.運(yùn)移路徑；濃度變化9.外10.放射性；探測(cè)效率；本底三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：對(duì)比α、β、γ射線的電荷、質(zhì)量（或粒子性質(zhì)）、射程、穿透能力、電離能力等特性。強(qiáng)調(diào)這些特性決定了它們?cè)诓煌綔y(cè)介質(zhì)中的行為以及適合的探測(cè)方式。例如，α射線路徑短、電離能力強(qiáng)，適合近距離探測(cè)或需要高分辨率區(qū)分的場(chǎng)合；β射線射程適中、電離能力中等，穿透能力比α強(qiáng)但比γ弱，適用于中等探測(cè)深度；γ射線不帶電、穿透能力強(qiáng)、電離能力弱，適合長(zhǎng)距離探測(cè)和穿透性測(cè)量，常用與高靈敏度探測(cè)器配合測(cè)量能譜。2.解析思路：闡述伽馬能譜測(cè)量的核心是能量色散，即不同能量的γ射線在探測(cè)器中產(chǎn)生的信號(hào)幅度不同。通過(guò)測(cè)量探測(cè)器輸出的脈沖幅度分布（能譜），可以識(shí)別出特定能量峰，這些能量峰對(duì)應(yīng)于地殼中常見(jiàn)放射性核素（如鈾系、釷系、鉀）衰變產(chǎn)生的特征γ射線。通過(guò)識(shí)別峰位確定存在哪些放射性核素，通過(guò)峰面積（或計(jì)數(shù)率）可以相對(duì)評(píng)估其豐度或含量。流程通常包括：野外伽馬能譜測(cè)量（飛機(jī)或車(chē)載）、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理（本底扣除、能量刻度、峰識(shí)別與定峰）、結(jié)果解釋?zhuān)ɡL制等值線圖、評(píng)價(jià)放射性水平、圈定異常區(qū)域）。3.解析思路：說(shuō)明中子測(cè)井利用中子源（如Am-Be或D-T）產(chǎn)生高能中子射向地層。高能中子與地層中的原子核（特別是質(zhì)量數(shù)相近的氫核，主要在孔隙水的氫原子中）發(fā)生彈性散射，能量迅速損失而慢化成熱中子。熱中子易于被地層中含氫量高的區(qū)域（通常是孔隙度較高的地層）吸收，產(chǎn)生次級(jí)伽馬射線（如從硼吸收中子產(chǎn)生的10B(n,γ)7Be）。通過(guò)測(cè)量探測(cè)器接收到的這些次級(jí)伽馬射線強(qiáng)度，可以反演出地層的含氫量。由于含氫量與孔隙度密切相關(guān)（在巖石骨架礦物成分相對(duì)穩(wěn)定的情況下），因此可以據(jù)此計(jì)算地層的孔隙度。關(guān)鍵在于理解中子慢化、熱中子俘獲以及含氫量與孔隙度的關(guān)聯(lián)。4.解析思路：選擇一個(gè)具體應(yīng)用，如利用放射性同位素（如Ra-226）作為示蹤劑研究地下水。將少量Ra-226溶液注入地下含水層，利用其衰變產(chǎn)生的氡氣（Rn-222）易溶于水的特性，通過(guò)定期采集水樣并測(cè)量其中的氡氣濃度（通常是測(cè)量氡氣衰變產(chǎn)生的β射線或α粒子），來(lái)追蹤示蹤劑的運(yùn)移路徑。由于氡氣的半衰期較短（約3.8天），可以通過(guò)測(cè)量氡濃度隨時(shí)間的變化，推算地下水的流速和水力聯(lián)系。另一個(gè)例子是利用鈾系法測(cè)定沉積物的年齡，通過(guò)測(cè)量樣品中長(zhǎng)半衰期核素（如U-238）與其衰變產(chǎn)物（如Pb-206）的比率，根據(jù)放射性衰變定律計(jì)算地質(zhì)年代。選擇哪個(gè)實(shí)例并清晰闡述其原理即可。四、計(jì)算題1.解析思路：a.利用放射性活度公式A=A?*e^(-λt)，其中λ=ln(2)/T?。先計(jì)算衰變常數(shù)λ=ln(2)/5天≈0.1386天^-1。然后代入t=3天，A=1×10^12*e^(-0.1386*3)≈1×10^12*e^(-0.4158)≈1×10^12*0.659≈6.59×10^11Bq。b.活度減為初始值一半即A=A?/2。代入公式A?/2=A?*e^(-λt)，得到1/2=e^(-λt)，取對(duì)數(shù)ln(1/2)=-λt，即-ln(2)=-λt。所以t=ln(2)/λ=5天。c.活度減為初始值的1/16即A=A?/16。代入公式A?/16=A?*e^(-λt)，得到1/16=e^(-λt)，取對(duì)數(shù)ln(1/16)=-λt，即-4*ln(2)=-λt。所以t=4*ln(2)/λ=4*5天=20天。2.解析思路：a.根據(jù)Beer-Lambert定律，γ射線強(qiáng)度I經(jīng)過(guò)厚度為x的介質(zhì)后衰減為I?*e^(-μx)。設(shè)地面40K的等效放射性活度濃度為C(Bq/m^2)，單位面積上單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的γ射線初始強(qiáng)度為I?=C*σ(其中σ是單位面積單位時(shí)間產(chǎn)生的γ射線數(shù)，與核素性質(zhì)和衰變常數(shù)有關(guān)，這里可視為常數(shù)因子)。探測(cè)器測(cè)得的計(jì)數(shù)率R與探測(cè)到的γ射線強(qiáng)度成正比，即R=I=I?*e^(-μx)。因此，C=R/(σ*e^(-μx))。b.將已知值代入，C=100/(σ*e^(-0.1*10))=100/(σ*e^(-1))=100/(σ*0.3679)。結(jié)果表達(dá)式為C=100/(σ*e)。該表達(dá)式表明地面40K活度濃度與探測(cè)計(jì)數(shù)率成正比，與大氣吸收系數(shù)和探測(cè)高度的指數(shù)成反比。*(注：此題未給出σ，故結(jié)果以含σ的表達(dá)式呈現(xiàn))*五、論述題解析思路：首先，明確伽馬能譜測(cè)量、中子測(cè)井、自然伽馬測(cè)井的基本原理和探測(cè)對(duì)象。然后，從地質(zhì)因素（如巖性、礦物成分、孔隙度、含水量、埋深等）和技術(shù)因素（如探測(cè)器的類(lèi)型和性能、測(cè)量方式、數(shù)據(jù)處理方法等）兩個(gè)維度進(jìn)行分析。*伽馬能譜測(cè)量：地質(zhì)因素上，主要探測(cè)地殼中的放射性元素（鈾、釷、鉀）及其衰變產(chǎn)物產(chǎn)生的特征γ射線，因此與這些元素的賦存狀態(tài)（賦礦巖系、蝕變帶等）直接相關(guān)。受巖性和礦物成分影響較大（如頁(yè)巖含鉀高自然伽馬高，花崗巖含鈾釷可能高）。技術(shù)因素上，選擇合適的探測(cè)器（如NaI(Tl)）和飛行高度/采樣方式，關(guān)注能譜分辨率和本底扣除。*中子測(cè)井：地質(zhì)因素上，主要探測(cè)地層的含氫量，因此與孔隙度（含油氣水）和地層水礦化度密切相關(guān)。對(duì)巖性相對(duì)不敏感，但受泥質(zhì)含量（含氫高）影響。技術(shù)因素上，選擇合適的中子源（Am-Be或D-T）和探測(cè)器（如3He或He-3/10B反沖正電子），關(guān)注中子注量率、慢化時(shí)間和探測(cè)效率。*自然伽馬測(cè)井：地質(zhì)因素上，主要測(cè)量地層中鉀、鈾、釷的含量總和，因此與沉積巖的成熟度（鉀含量）、含礦性（鈾釷含量）有關(guān)。