2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——超重元素的合成與性質(zhì)探究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.以下哪種核反應是當前合成超重元素最主要的方法？(A)α衰變(B)β衰變(C)γ衰變(D)重離子碰撞2.超重元素的合成通常發(fā)生在核反應中的哪個區(qū)域？(A)核心區(qū)域(B)表面區(qū)域(C)中子貧區(qū)域(D)中子富區(qū)域3.導致超重元素不穩(wěn)定的主要因素是？(A)原子序數(shù)過大(B)中子數(shù)過多(C)核子數(shù)過多(D)以上都是4.核殼層模型主要解釋了什么現(xiàn)象？(A)原子光譜(B)原子核的穩(wěn)定性(C)元素的化學性質(zhì)(D)半導體特性5.在描述超重元素核結(jié)構(gòu)時，集體模型主要關注什么？(A)核子之間的單粒子運動(B)原子核的整體變形和轉(zhuǎn)動(C)核電荷分布(D)核子之間的相互作用力6.超重元素通常以哪種衰變模式為主？(A)α衰變(B)β衰變(C)電荷交換衰變(D)γ衰變7.影響超重元素半衰期的關鍵因素之一是？(A)原子序數(shù)(B)中子數(shù)(C)原子質(zhì)量數(shù)(D)以上都是8.超重元素合成實驗中，常用的入射離子是？(A)質(zhì)子(B)中子(C)α粒子(D)重離子9.中子俘獲鏈在超重元素合成中扮演什么角色？(A)直接合成超重元素(B)產(chǎn)生中子，為后續(xù)核反應提供條件(C)測量超重元素的性質(zhì)(D)以上都不是10.液滴模型主要用于解釋什么？(A)原子核的形狀(B)原子核的穩(wěn)定性(C)核子之間的相互作用力(D)原子核的半徑二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填寫在橫線上）1.合成超重元素的主要挑戰(zhàn)之一是合成后的原子核極難________________________________________________。2.超重元素通常位于元素周期表的________________________區(qū)域。3.核殼層模型認為原子核的穩(wěn)定性與核子數(shù)是否達到________________________有關。4.影響超重元素穩(wěn)定性的重要參數(shù)是________________________。5.超重元素合成實驗通常在________________________中進行。6.重離子碰撞合成超重元素的反應截面通常非常________________________。7.超重元素衰變時，釋放的能量主要來自于原子核的________________________能。8.核力是________________________之間的強相互作用力。9.超重元素的中子配比對它們的穩(wěn)定性有重要影響。10.目前實驗上合成并確認存在的最重元素是________________________。三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述重離子碰撞合成超重元素的原理。2.解釋什么是“核半衰期”，并說明它與原子半衰期有何不同。3.簡述核殼層模型對超重元素穩(wěn)定性的解釋。4.影響超重元素合成反應截面的主要因素有哪些？四、計算題（每小題10分，共20分。請列出必要的公式和計算步驟）1.假設一個超重元素的原子核衰變，釋放出能量為5MeV的α粒子。如果該衰變釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為α粒子的動能，且忽略原子核的反沖能量，計算α粒子的速度。(α粒子的質(zhì)量約為4u，1u=931.5MeV/c2)2.某個超重元素核的半衰期為10^-20秒。計算該核經(jīng)過1分鐘后的剩余數(shù)量（以原始數(shù)量的百分比表示）。五、論述題（15分。請結(jié)合所學知識，深入分析和討論下列問題）當前超重元素合成研究面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？為了克服這些挑戰(zhàn)，科學家們正在采取哪些新的實驗方法和理論計算手段？并探討超重元素研究對核物理理論發(fā)展的潛在意義。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.D4.B5.B6.A7.D8.D9.B10.B二、填空題1.存在2.隱秘3.“閉合殼層”4.中子配比5.粒子加速器6.小7.結(jié)合8.核子9.中子配比10.錯三、簡答題1.解析思路：重離子碰撞合成超重元素的原理是利用高能重離子（如鈣、錒系元素離子）轟擊一個重原子核（如鉛、鉍），使兩個原子核發(fā)生融合。由于庫侖斥力巨大，融合過程非常困難，通常只發(fā)生極短的接觸。如果融合成功，會形成一個非常不穩(wěn)定的重核，該核可能通過發(fā)射中子或α粒子來調(diào)整其核結(jié)構(gòu)，最終可能穩(wěn)定在某個半衰期較長的超重元素核上。2.解析思路：核半衰期是指放射性原子核（或核）的集合體中有一半發(fā)生衰變所需的時間。原子半衰期通常指放射性原子（包含原子核和電子）的集合體中有一半發(fā)生衰變所需的時間。對于放射性同位素，原子半衰期等于核半衰期。但對于涉及核結(jié)構(gòu)變化的情況（如α衰變），核半衰期和原子半衰期可能略有差異，因為核變化后可能形成不同的電子殼層，影響電離和輻射過程。在此題背景下，主要關注核的衰變。3.解析思路：核殼層模型認為原子核的穩(wěn)定性與核子（質(zhì)子和中子）是否填充到特定的“殼層”有關。當質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)達到某些“閉合殼層”（如質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為2,8,20,28,50,82,126）時，原子核將具有特別高的穩(wěn)定性。超重元素的研究試圖尋找新的、更重的“雙閉合殼層”（例如，具有Z=114和N=184的核）或接近這些閉合數(shù)的核，這些核可能表現(xiàn)出異常的穩(wěn)定性。4.解析思路：影響重離子碰撞合成超重元素反應截面的因素主要包括：①入射離子的種類和能量：不同的重離子具有不同的尺寸和庫侖勢壘，能量越高，越容易克服庫侖勢壘，但反應機制也可能改變。②靶核的種類：靶核的尺寸、電荷和性質(zhì)會影響融合的難度。③自旋效應：原子核的自旋會影響碰撞的對準，從而顯著改變反應截面。④環(huán)境效應：碰撞條件（如密度、溫度）也會對反應截面產(chǎn)生影響。四、計算題1.解析思路：根據(jù)能量守恒，α粒子釋放的能量E等于其動能K。K=1/2*m*v^2。同時，愛因斯坦質(zhì)能方程E=γmc^2，其中γ是洛倫茲因子，v是速度。對于低速運動，可以近似γ≈1，且α粒子動能遠小于其靜止能量，因此E≈mc^2。題目已給出E=5MeV，α粒子質(zhì)量m≈4u，c^2=931.5MeV/u。計算v：v=sqrt(2E/m)=sqrt(2*5MeV/(4*931.5MeV/u))=sqrt(10/3726)c≈sqrt(0.00268)c≈0.052c。2.解析思路：使用半衰期公式N(t)=N0*(1/2)^(t/T1/2)，其中N(t)是時間t后的剩余數(shù)量，N0是初始數(shù)量，T1/2是半衰期，t是經(jīng)過的時間。將時間單位統(tǒng)一：1分鐘=60秒。計算經(jīng)過6個半衰期（60秒/(10^-20秒/半衰期)=6）后的剩余比例：(1/2)^6=1/64≈0.015625。轉(zhuǎn)換為百分比：0.015625*100%≈1.56%。五、論述題解析思路：超重元素合成研究面臨的主要挑戰(zhàn)包括：①極低的反應截面：重離子碰撞合成超重元素的反應截面通常非常小，意味著需要極高的入射離子通量和大量的靶核才能觀察到少數(shù)幾個產(chǎn)物。②產(chǎn)物極難探測：合成的原子核極其不穩(wěn)定，半衰期極短（通常小于秒），且衰變時可能發(fā)射多種粒子，難以從復雜的本底中分離和識別。③精確的核結(jié)構(gòu)測量：需要發(fā)展新的實驗技術(shù)來測量這些超重元素的原子和核性質(zhì)，以驗證理論預測并探索新的核結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學家們正采取：①構(gòu)建更強大的重離子加速器：如FAIR、LHC-COSMIA等，提供更高能量和更高通量的重離子束。②優(yōu)化實驗裝置：例如，發(fā)展高效率的粒子探測器和先進的分餾技術(shù)（如氣體離心機、分子束分離器），以提高產(chǎn)物探測效率和純度。③發(fā)展新的理論計算方法：采用先進的核模型（如微