2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——物理學(xué)中的核物理學(xué)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪個(gè)粒子參與強(qiáng)相互作用？A.電子B.中微子C.質(zhì)子D.光子2.放射性元素鐳（Ra）衰變?yōu)殡保≧n）并放出一個(gè)粒子，該粒子是：A.α粒子B.β?粒子C.β?粒子D.γ射線3.根據(jù)核液滴模型，重核裂變的主要驅(qū)動(dòng)力是：A.核力B.庫侖排斥力C.核的形狀變形D.核的殼層結(jié)構(gòu)效應(yīng)4.一個(gè)放射性同位素的半衰期為T，經(jīng)過3T時(shí)間，該同位素的剩余質(zhì)量占原有質(zhì)量的：A.1/2B.1/3C.1/4D.1/85.在核反應(yīng)方程?2U+1?n→??Ba+X+31?n中，X表示的粒子是：A.13?KrB.??CaC.??HeD.??Ne6.使原子核發(fā)生電離的最有效方式通常是：A.γ射線照射B.中子轟擊C.α粒子散射D.β粒子轟擊7.標(biāo)志著核物理研究進(jìn)入新時(shí)代的實(shí)驗(yàn)是：A.α粒子散射實(shí)驗(yàn)B.康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)C.宇稱不守恒實(shí)驗(yàn)D.中子發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)8.核反應(yīng)堆中，控制棒的主要作用是：A.吸收中子，調(diào)節(jié)反應(yīng)速率B.產(chǎn)生中子C.加速中子D.引發(fā)核裂變9.下列哪種核反應(yīng)過程能夠釋放出巨大的能量？A.光子與電子的散射B.原子核的α衰變C.重核的核聚變D.輕核的核裂變10.核力與電磁力相比，其主要特點(diǎn)是：A.距離衰減快B.作用范圍極短C.存在吸引和排斥成分D.只存在于質(zhì)子之間二、填空題（請(qǐng)將答案填寫在橫線上）1.原子核的半徑R通常可以用公式R=r?A^(1/3)來估算，其中r?約等于1.2fm，A是原子核的。2.放射性衰變遵循定律，即放射性衰減量與當(dāng)前存在的放射性原子數(shù)量成正比。3.在β?衰變過程中，一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)和一個(gè)反電子中微子。4.重核裂變時(shí)，如果裂變產(chǎn)生的兩個(gè)碎片質(zhì)量之和小于原來重核的綁定能，則該過程會(huì)釋放能量。5.標(biāo)準(zhǔn)模型描述了三種基本相互作用的粒子載體，分別是傳遞電磁力的，傳遞強(qiáng)相互作用的膠子，以及傳遞弱相互作用的和W3bosons。6.能夠探測(cè)放射性粒子并產(chǎn)生可測(cè)量信號(hào)裝置稱為。7.天體中發(fā)生的核聚變主要類型是聚變，它產(chǎn)生了構(gòu)成恒星的主要元素。8.使重核發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件是必須達(dá)到。9.原子核的是指原子核的總能量減去所有核子的自由靜能。10.在核反應(yīng)中，必須嚴(yán)格遵守守恒和守恒定律。三、計(jì)算題（請(qǐng)寫出必要的公式、列式和計(jì)算步驟）1.某放射性同位素的半衰期為5天。假設(shè)初始時(shí)該同位素的質(zhì)量為M?克，計(jì)算：a.10天后剩余的同位素質(zhì)量是多少？b.需要多少時(shí)間才能使剩余質(zhì)量減為初始質(zhì)量的1%？2.在一個(gè)核反應(yīng)中，一個(gè)靜止的鈾-235核（?2U）吸收一個(gè)中子（1?n），發(fā)生裂變，產(chǎn)生一個(gè)鋇-141核（??Ba）、一個(gè)氪-92核（?2Kr）和若干中子。已知鋇-141和氪-92的質(zhì)量分別為140.92070amu和91.91935amu，中子的質(zhì)量為1.00867amu，鈾-235和中子的質(zhì)量分別為235.04392amu和1.00867amu。a.寫出該核反應(yīng)方程。b.計(jì)算該核反應(yīng)釋放的總能量（以MeV為單位，1amu=931.5MeV/c2）。3.一束α粒子垂直射向厚度為d=0.1mm的鈹（Be）薄片。已知α粒子的能量為5MeV，鈹?shù)脑有驍?shù)為4。假設(shè)α粒子與鈹核發(fā)生彈性散射，散射角θ=90°。根據(jù)盧瑟福散射公式，估算能夠發(fā)生這種散射的鈹核的數(shù)量（估算時(shí)可作簡化假設(shè)，如忽略多次散射）。四、簡答題（請(qǐng)簡潔明了地回答下列問題）1.簡述核力與電磁力的主要區(qū)別。2.解釋什么是核的“殼層模型”，并說明其意義。3.什么是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)？實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)需要滿足哪些條件？4.放射性同位素在醫(yī)學(xué)診斷和治療中有哪些主要應(yīng)用？5.簡要說明標(biāo)準(zhǔn)模型中傳遞弱相互作用的基本粒子有哪些。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.C5.C6.C7.A8.A9.C10.B二、填空題1.質(zhì)量數(shù)2.指數(shù)3.β?粒子4.動(dòng)能5.光子,W和Z6.探測(cè)器7.氫8.臨界條件9.結(jié)合能10.電荷,質(zhì)量數(shù)三、計(jì)算題1.解：a.設(shè)初始質(zhì)量為M?，半衰期為T=5天。10天后剩余質(zhì)量M=M?(1/2)^(t/T)=M?(1/2)^(10/5)=M?(1/2)2=0.25M?。即剩余質(zhì)量為初始質(zhì)量的25%。b.設(shè)剩余質(zhì)量為M?(1/100)，所需時(shí)間為t。根據(jù)指數(shù)衰變律M=M?(1/2)^(t/T)，則0.01M?=M?(1/2)^(t/5)。兩邊除以M?得0.01=(1/2)^(t/5)。取對(duì)數(shù)得ln(0.01)=(t/5)ln(0.5)。解得t/5=ln(0.01)/ln(0.5)≈4.61。所以t≈4.61*5=23.05天。約需23.05天。2.解：a.核反應(yīng)方程：?2U+1?n→??Ba+??Kr+x?1?n+x?1?n（需確定x?和x?）根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒：235+1=140+92+2*(1)+x?+x?=>236=232+2+x?+x?=>x?+x?=2根據(jù)原子序數(shù)守恒：92+0=56+36+0+x?+0=>92=92+x?=>x?=0代入得x?=2。所以方程為：?2U+1?n→??Ba+??Kr+21?nb.質(zhì)量虧損Δm=(m_U+m_n)-(m_Ba+m_Kr+2m_n)=m_U-m_Ba-m_Kr-m_nΔm=235.04392amu-140.92070amu-91.91935amu-1.00867amuΔm=1.19520amu釋放能量E=Δm*c2=1.19520amu*931.5MeV/amu≈1110.5MeV3.解：根據(jù)盧瑟福散射公式，單位時(shí)間內(nèi)被散射到立體角dΩ內(nèi)的α粒子數(shù)為N(θ)dΩ=(N?Z2α2)/(4πr?2E2)*(1+cos2θ)dΩ其中N?為靶核總數(shù)，Z為靶核原子序數(shù)，α為α粒子電荷，r?為核半徑，E為α粒子能量，θ為散射角。題目要求θ=90°，dΩ=2πsrad=2πsrad，立體角單位換算s=1sr。N(90°)=(N?*42*(2e)2)/(4π*(1.2fm)2*(5MeV)2)N(90°)=(16*4e2)/(4π*(1.44*10?1?m)2*(5*1.6*10?13J)2)N(90°)=(64e2)/(4π*2.0736*10?2?m2*(8*10?2?J2))N(90°)=(64e2)/(82.944π*10???J2m2)N(90°)≈(64*(1.602*10?1?C)2)/(82.944π*10???J2m2)N(90°)≈(64*2.566*10?3?C2)/(82.944π*10???J2m2)N(90°)≈(164.38*10?3?)/(261.0*10???)C2/J2m2N(90°)≈0.630*101?/J2m2C2靶核總數(shù)N?=靶核密度*體積=(原子序數(shù)/摩爾質(zhì)量)*(N?/A)*體積=(4/9.012amu)*(6.022*1023/amu)*(厚度/核半徑)N?≈(4/9.012)*(6.022*1023)*(0.1*10?3m/1.2*10?1?m)N?≈(4*6.022*102?)/(9.012*1.2*1012)≈2.345*102?/10.814*1012=2.164*101?α粒子數(shù)密度n=N?/V=2.164*101?/(πd2/4)=2.164*101?/(π(0.1*10?3m)2/4)=2.164*101?/(π*10??/4)=8.656*102?/πm?3α粒子數(shù)密度n≈2.75*101?m?3單位面積、單位時(shí)間內(nèi)被散射到θ=90°的α粒子數(shù)N=N(90°)*n*A*dt其中A=πd2為探測(cè)器面積，dt為時(shí)間。N≈(0.630*101?/J2m2C2)*(2.75*101?m?3)*(π(1*10?2m)2)*dtN≈(0.630*2.75*π*103?/J2C2)*dtN≈(1.7425π*103?/J2C2)*dtN≈(5.47*103?/J2C2)*dt（注意：此結(jié)果為理論計(jì)算值，實(shí)際探測(cè)還需考慮探測(cè)器效率、α粒子通量等因素。此處按公式估算。）四、簡答題1.核力是短程力，主要表現(xiàn)為吸引力，作用范圍小于1.5fm，存在于相鄰核子之間。它比電磁力強(qiáng)得多（約強(qiáng)100倍），但作用范圍極短。電磁力是長程力，作用范圍無限，取決于電荷，可以是吸引力（同種電荷）或排斥力（異種電荷），強(qiáng)度遠(yuǎn)小于核力。電磁力對(duì)質(zhì)子間的相互作用起主導(dǎo)作用，而核力對(duì)中子與質(zhì)子（以及中子與中子）間的結(jié)合至關(guān)重要。2.核的殼層模型認(rèn)為原子核中的核子（質(zhì)子和中子）像原子中的電子一樣，是分占著能量不同的殼層或“軌道”的。當(dāng)核子數(shù)達(dá)到某些特定數(shù)目（稱為“幻數(shù)”，如2,8,20,28,50,82,126）時(shí)，相應(yīng)的殼層被填滿，核子間的相互作用達(dá)到最穩(wěn)定的狀態(tài)，使得這些核特別穩(wěn)定。殼層模型成功解釋了原子核的液滴模型不能解釋的某些現(xiàn)象，如幻數(shù)核的穩(wěn)定性、核磁矩和電四極矩等。3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是指核裂變反應(yīng)中，一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變，產(chǎn)生兩個(gè)（或多個(gè)）中等質(zhì)量的碎片，并釋放出新的中子。如果這些新釋放的中子中，至少有一個(gè)能夠引起另一個(gè)重核裂變，并繼續(xù)產(chǎn)生更多的中子，如此循環(huán)往復(fù)，反應(yīng)就能持續(xù)進(jìn)行下去。實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)需要滿足兩個(gè)基本條件：①臨界條件，即裂變物質(zhì)必須達(dá)到一定的質(zhì)量、密度和體積，使其中子能夠有效地在其中傳播而不至于過多地逃逸出去；②中子經(jīng)濟(jì)性，即每次裂變平均產(chǎn)生的中子數(shù)（包括裂變中子和裂變碎片釋放的中子）必須大于或等于1。4.放射性同位素在醫(yī)學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，主要包括：①醫(yī)學(xué)診斷：利用放射性同位素發(fā)