2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核物理學(xué)在地球科學(xué)中的角色考試時(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)的代表字母填寫在答題紙上。）1.在放射性衰變過(guò)程中，原子核釋放出一個(gè)β?粒子（電子），則該原子核的：A.質(zhì)量數(shù)減少1B.質(zhì)量數(shù)增加1C.原子序數(shù)增加1D.原子序數(shù)減少12.利用碳-14測(cè)年法測(cè)定古代生物遺骸的年齡，主要是基于碳-14具有：A.長(zhǎng)半衰期，易于探測(cè)B.短半衰期，且在生物體內(nèi)含量相對(duì)穩(wěn)定C.易于發(fā)生α衰變D.易于發(fā)生β?衰變3.鉀-氬測(cè)年法通常適用于測(cè)定地質(zhì)年代范圍較廣的巖石，其主要依據(jù)是鉀-40的半衰期約為：A.103年B.10?年C.10?年D.1011年4.在同位素地質(zhì)學(xué)中，利用1?O/1?O或2H/1H比率變化研究古氣候，其原理主要基于：A.不同同位素具有不同的放射性B.穩(wěn)定同位素在不同溫度下的分餾效應(yīng)C.放射性同位素的衰變速度受溫度影響D.穩(wěn)定同位素的質(zhì)量差異導(dǎo)致在物理化學(xué)過(guò)程中的行為不同5.地球物理勘探中使用的伽馬能譜儀，其主要探測(cè)對(duì)象是：A.人工放射性同位素B.地球放射性元素（如鈾、釷、鉀）衰變產(chǎn)生的γ射線C.自然背景輻射中的中子D.一次宇宙射線6.核磁共振（NMR）譜在地球科學(xué)中可用于分析礦物水合狀態(tài)，其原理是基于：A.不同化學(xué)環(huán)境下氫原子核（1H）的自旋進(jìn)動(dòng)頻率不同B.原子核的放射性衰變C.α粒子與晶體場(chǎng)的相互作用D.γ射線與原子核的共振吸收7.某地質(zhì)樣品含有大量長(zhǎng)石礦物，若要確定該樣品的絕對(duì)年齡，最適合采用的放射性測(cè)年方法是：A.碳-14測(cè)年法B.鉀-氬測(cè)年法C.鈾-鉛測(cè)年法D.氚測(cè)年法8.在進(jìn)行深海沉積物年齡測(cè)定時(shí)，常使用23?U/23?U測(cè)年法，該方法主要利用了23?U衰變鏈中的：A.23?U→23?Th衰變B.23?Th→22?Ra衰變C.22?Ra→222Rn衰變D.222Rn→21?Po衰變9.以下哪種核物理效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于研究礦物晶體結(jié)構(gòu)的精細(xì)變化？A.α衰變B.β衰變C.γ射線共振吸收D.核磁共振10.將放射性同位素作為示蹤劑研究地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常選擇的同位素應(yīng)具備的特點(diǎn)是：A.半衰期極長(zhǎng)，不易損失B.半衰期適中，能在研究時(shí)間內(nèi)保持適量，且易探測(cè)C.放射性強(qiáng)度極高，穿透力強(qiáng)D.在水中的溶解度最大二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）1.放射性同位素的半衰期是指其________數(shù)目減少到原來(lái)一半所需要的時(shí)間。2.放射性碳-14主要用于測(cè)定________年代的有機(jī)物遺存。3.同位素示蹤技術(shù)的原理是利用不同同位素在________和________過(guò)程中的行為差異。4.伽馬能譜測(cè)量中，通過(guò)分析不同能量γ射線的________和________，可以識(shí)別樣品中的放射性核素種類。5.核磁共振（NMR）譜圖中的化學(xué)位移反映了原子核所處的________環(huán)境不同。6.在利用鈾-鉛測(cè)年法測(cè)定鋯石年齡時(shí)，通常關(guān)注的是鋯石中的________和________同位素組成的衰變系。7.地球科學(xué)研究中，利用放射性示蹤劑研究生物地球化學(xué)循環(huán)，主要是利用了示蹤劑的________特性。8.核物理中的穆斯堡爾效應(yīng)利用了γ射線子體的________與母體的________精密相等這一特性進(jìn)行能量測(cè)量。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）1.簡(jiǎn)述放射性測(cè)年法的基本原理及其對(duì)樣品的基本要求。2.簡(jiǎn)述利用穩(wěn)定同位素比率研究古氣候的主要思路。3.簡(jiǎn)述核磁共振（NMR）技術(shù)在地球科學(xué)中應(yīng)用的一個(gè)方面及其基本原理。四、計(jì)算題（每小題10分，共20分。請(qǐng)將計(jì)算過(guò)程和答案填寫在答題紙上。）1.某考古發(fā)現(xiàn)的古木炭樣品，測(cè)得其碳-14含量為現(xiàn)代活體樹木的1/8。已知碳-14的半衰期為5730年，請(qǐng)計(jì)算該古木炭的大致年齡。2.假設(shè)一個(gè)地質(zhì)樣品中初始僅含有鈾-238，鈾-238的半衰期為4.51×10?年，鉛-206是其衰變鏈的最終產(chǎn)物。若測(cè)得該樣品中鈾-238與鉛-206的質(zhì)量比為1:3（質(zhì)量比），請(qǐng)估算該樣品的地質(zhì)年齡。（假設(shè)樣品形成時(shí)沒(méi)有鉛-206）五、論述題（15分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）試論述核物理技術(shù)在地球科學(xué)研究中的主要應(yīng)用領(lǐng)域及其重要性。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.D5.B6.A7.B8.A9.C10.B二、填空題1.放射性2.古3.物理；化學(xué)4.能量；強(qiáng)度（或計(jì)數(shù)率）5.化學(xué)鍵6.鈾-238；鉛-2067.可追蹤性（或示蹤性）8.能量；動(dòng)量（或自旋）三、簡(jiǎn)答題1.原理：放射性測(cè)年法基于放射性同位素具有恒定的衰變率（半衰期），通過(guò)測(cè)量樣品中放射性同位素及其衰變產(chǎn)物的含量，利用衰變定律公式計(jì)算出樣品形成或發(fā)生特定地質(zhì)事件的時(shí)間。樣品要求：樣品必須含有可供測(cè)量的初始放射性同位素和/或足夠量的衰變產(chǎn)物；樣品在形成后應(yīng)保持封閉體系，沒(méi)有發(fā)生放射性同位素的丟失或衰變產(chǎn)物的加入（或能準(zhǔn)確計(jì)算出加入/丟失量）；選擇的放射性同位素及其衰變系應(yīng)適合所測(cè)定的地質(zhì)時(shí)間尺度。2.思路：利用自然物質(zhì)（如水、冰、沉積物、巖石）中穩(wěn)定同位素（如1H,1?O,13C,1?N）比率的變化來(lái)重建過(guò)去的氣候環(huán)境。不同溫度、降水、植被覆蓋等氣候條件會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)在相變（如蒸發(fā)、凝結(jié)、降水）、生物作用（如光合作用、呼吸作用）等過(guò)程中發(fā)生分餾，使得不同同位素在樣品中的比率偏離現(xiàn)代全球平均比率。通過(guò)測(cè)定古樣品中穩(wěn)定同位素比率，并與已知?dú)夂驐l件的現(xiàn)代樣品或氣候模型進(jìn)行對(duì)比，可以反演古氣候的溫度、降水等信息。3.應(yīng)用方面（舉例）：研究礦物水合狀態(tài)或孔隙水性質(zhì)。原理：不同化學(xué)環(huán)境（如水分子所處的配位環(huán)境、溫度、壓力）會(huì)影響氫原子核（1H）的自旋進(jìn)動(dòng)頻率。將含有水分子的礦物置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，使其自旋取向，然后施加射頻脈沖，當(dāng)射頻脈沖的頻率與特定環(huán)境下氫原子核的進(jìn)動(dòng)頻率相等時(shí)，該環(huán)境的氫原子核會(huì)吸收能量發(fā)生共振，導(dǎo)致局部磁場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)。通過(guò)檢測(cè)這種共振信號(hào)（其頻率反映了氫原子核所處的化學(xué)環(huán)境）的強(qiáng)度和位置（化學(xué)位移），可以推斷礦物中水分子的類型、含量和所處的結(jié)構(gòu)環(huán)境。四、計(jì)算題1.解：設(shè)古木炭年齡為T，碳-14半衰期t?/?=5730年。根據(jù)衰變公式N=N?*(1/2)^(T/t?/?)，其中N/N?=1/8。所以(1/2)^(T/5730)=1/8=(1/2)^3。對(duì)比指數(shù)得：T/5730=3。計(jì)算得：T=3*5730=17190年。答案：該古木炭的大致年齡為17190年。2.解：設(shè)樣品年齡為T，鈾-238半衰期t?/?=4.51×10?年。初始鈾-238質(zhì)量為M?，當(dāng)前鈾-238質(zhì)量為M，當(dāng)前鉛-206質(zhì)量為P。根據(jù)衰變公式：M=M?*(1/2)^(T/t?/?)。鉛-206僅由鈾-238衰變產(chǎn)生，設(shè)初始鈾-238質(zhì)量為M?，則P=M?-M。題給質(zhì)量比為M/(M+P)=1/4。代入P=M?-M，得M/((M+(M?-M)))=1/4，即M/(2M?)=1/4。解得M=M?/2。將M=M?/2代入M=M?*(1/2)^(T/t?/?)，得：M?/2=M?*(1/2)^(T/4.51×10?)。對(duì)比指數(shù)得：T/4.51×10?=1。計(jì)算得：T=4.51×10?年。答案：該樣品的地質(zhì)年齡估算約為4.51×10?年。五、論述題核物理技術(shù)在地球科學(xué)研究中的應(yīng)用廣泛且重要。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：1.地質(zhì)年代測(cè)定與地球化學(xué)示蹤：利用放射性同位素的衰變規(guī)律（放射性測(cè)年法，如碳-14、鉀-氬、鈾-鉛等），可以精確測(cè)定巖石、礦物、化石等地質(zhì)樣品的形成年齡和地質(zhì)事件的發(fā)生時(shí)間，為建立地球歷史年代框架提供關(guān)鍵依據(jù)。同時(shí)，利用放射性同位素作為示蹤劑，可以追蹤元素在地球圈層（地殼、地幔、水圈、大氣圈）中的遷移路徑、循環(huán)過(guò)程和反應(yīng)機(jī)制，揭示地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)、水循環(huán)、生物地球化學(xué)循環(huán)等過(guò)程。2.地球物理勘探：利用放射性元素（如鈾、釷、鉀）產(chǎn)生的天然輻射（主要是γ射線），通過(guò)伽馬能譜測(cè)量技術(shù)，可以識(shí)別和勘查放射性礦產(chǎn)，評(píng)估環(huán)境輻射水平，甚至用于地下水探測(cè)等。核磁共振（NMR）技術(shù)也可用于探測(cè)孔隙結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)。3.古環(huán)境與古氣候重建：利用沉積物、冰芯、生物骨骼等樣品中的同位素（包括放射性同位素和穩(wěn)定同位素）記錄，結(jié)合核物理原理進(jìn)行測(cè)年和分析，可以重建過(guò)去的溫度、降水、海平面、大氣成分、洋流等古環(huán)境信息。4.核磁共振與穆斯堡爾譜學(xué)：NMR可用于分析礦物、水、生物樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)環(huán)境和狀態(tài)信息。穆斯堡爾譜學(xué)則利用γ射線的共振吸收特性，精確測(cè)定礦物晶體的結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)和溫度信息，是研究礦物學(xué)和地球物理學(xué)的重要工具。5.空間科學(xué)研究：核物理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于空間探測(cè)器的建造（如輻射探測(cè)器、粒子探測(cè)器），用于