2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫(kù)——核物理技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用考試時(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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.在核物理環(huán)境中，放射性核素發(fā)生α衰變后，子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)與母核相比，變化正確的是（）。A.質(zhì)子數(shù)減少1，中子數(shù)增加2B.質(zhì)子數(shù)增加1，中子數(shù)減少2C.質(zhì)子數(shù)減少2，中子數(shù)減少4D.質(zhì)子數(shù)減少1，中子數(shù)不變2.下列哪種核輻射類型具有最高的電離能力，但在穿透物質(zhì)時(shí)能力最弱？（）A.α粒子B.β粒子C.γ射線D.中子3.用于測(cè)量α粒子計(jì)數(shù)的常用探測(cè)器是（）。A.蓋革-米勒計(jì)數(shù)器B.閃爍計(jì)數(shù)器C.鋰drifted晶體探測(cè)器D.密封閃爍體4.在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，若需測(cè)量空氣中的氡氣（23?Rn）及其子體，最常用的核物理方法是（）。A.伽馬能譜分析B.中子活化分析C.貝克勒爾法（液體閃爍計(jì)數(shù)）D.正比計(jì)數(shù)法5.伽馬能譜分析中，用于區(qū)分不同能量伽馬射線的關(guān)鍵參數(shù)是（）。A.計(jì)數(shù)率B.探測(cè)器效率C.能量分辨率D.響應(yīng)時(shí)間6.中子活化分析（NAA）的主要優(yōu)點(diǎn)之一是（）。A.只能進(jìn)行定性分析B.需要使用化學(xué)試劑分離C.可實(shí)現(xiàn)多種元素的同時(shí)測(cè)定，且樣品前處理要求相對(duì)較低D.對(duì)環(huán)境樣品的破壞性很大7.放射性活度衰變規(guī)律遵循（）。A.線性關(guān)系B.指數(shù)衰減規(guī)律C.對(duì)數(shù)關(guān)系D.拋物線關(guān)系8.在核事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，快速確定污染范圍和程度，常優(yōu)先采用的技術(shù)是（）。A.輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)B.大范圍中子活化分析采樣C.空中伽馬能譜監(jiān)測(cè)D.土壤樣品實(shí)驗(yàn)室伽馬能譜分析9.液體閃爍計(jì)數(shù)器主要用于測(cè)量（）。A.α粒子發(fā)射體B.β粒子發(fā)射體C.γ射線源D.中子10.核輻射防護(hù)的“時(shí)間防護(hù)”原則是指（）。A.增加屏蔽材料厚度B.使用距離輻射源更遠(yuǎn)的位置工作C.縮短在輻射環(huán)境中的暴露時(shí)間D.穿戴個(gè)人防護(hù)用品二、填空題（每空2分，共30分。請(qǐng)將正確答案填在橫線上。）1.放射性核素衰變時(shí)，原子核從一種能量狀態(tài)躍遷到另一種較低能量狀態(tài)，并以______形式釋放能量的過(guò)程稱為伽馬衰變。2.標(biāo)識(shí)電離輻射強(qiáng)度的物理量是______，其國(guó)際單位是______。3.核探測(cè)器的基本功能是將探測(cè)到的______信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)。4.伽馬能譜分析中，譜圖的橫坐標(biāo)通常表示______，縱坐標(biāo)表示______。5.中子活化分析中，樣品被中子照射后，發(fā)生核反應(yīng)生成的不穩(wěn)定核素稱為_(kāi)_____，其隨后發(fā)生的衰變過(guò)程可用于測(cè)定樣品中元素的含量。6.在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，利用放射性同位素作為示蹤劑研究污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的方法稱為_(kāi)_____。7.國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）發(fā)布的《輻射防護(hù)與安全的基本安全標(biāo)準(zhǔn)》（安全標(biāo)準(zhǔn)叁）中，對(duì)成年公眾的年有效劑量當(dāng)量限值規(guī)定了______希沃特（Sv）。8.根據(jù)核衰變定律，放射性核素的活度隨時(shí)間呈______變化。9.X射線熒光（XRF）分析技術(shù)雖然也常用于環(huán)境樣品成分分析，但其基本原理與利用核反應(yīng)或衰變產(chǎn)生的輻射進(jìn)行測(cè)量的核分析技術(shù)（如伽馬能譜、NAA）有所不同，它主要基于原子______后釋放的次級(jí)X射線進(jìn)行元素分析。10.核電廠周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)通常包括對(duì)空氣、水、土壤、食品中放射性核素的監(jiān)測(cè)，其中______和______是重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述蓋革-米勒計(jì)數(shù)器的工作原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。2.簡(jiǎn)述利用伽馬能譜分析技術(shù)測(cè)定環(huán)境樣品中天然放射性核素12?Ra活度的基本步驟。3.簡(jiǎn)述核技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中進(jìn)行輻射防護(hù)的主要原則（時(shí)間、距離、屏蔽）。4.簡(jiǎn)述利用放射性同位素進(jìn)行環(huán)境示蹤研究的原理及其優(yōu)勢(shì)。四、計(jì)算題（每小題10分，共20分。）1.某環(huán)境監(jiān)測(cè)站測(cè)得空氣中氡氣（23?Rn）的濃度為2.0×102Bq/m3。已知氡氣的半衰期T?約為3.82天。請(qǐng)計(jì)算：a.10天后空氣中的氡氣濃度變?yōu)槎嗌?？b.若該站點(diǎn)的氡氣濃度限值為400Bq/m3，按此濃度計(jì)算，氡氣需要達(dá)到多少時(shí)間其濃度才低于限值？（結(jié)果保留一位小數(shù)）2.假設(shè)用中子活化分析測(cè)定某土壤樣品中的鈉（Na）含量。將10.0g土壤樣品放入反應(yīng)堆中照射一段時(shí)間后，測(cè)得衰變計(jì)數(shù)率為1200計(jì)數(shù)/分鐘。已知在照射條件下，鈉（23?Na→23?Na）的激發(fā)閾值為4.06MeV，探測(cè)效率為5%，樣品中鈉的自然豐度為22.6%。假設(shè)所有產(chǎn)生的23?Na都能衰變，其衰變常數(shù)為0.0245d?1，且衰變過(guò)程中不產(chǎn)生可用于測(cè)量的伽馬射線。請(qǐng)計(jì)算該土壤樣品中鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（結(jié)果用百分比表示，保留兩位小數(shù)）。提示：忽略衰變計(jì)數(shù)和照射時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響。五、論述題（每小題15分，共30分。）1.論述伽馬能譜分析技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域及其面臨的主要挑戰(zhàn)。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述核技術(shù)在核事故應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用和重要性。試卷答案一、選擇題1.A解析思路：α衰變過(guò)程中，原子核放出一個(gè)α粒子（即氦核，包含2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子），導(dǎo)致母核質(zhì)子數(shù)減少2，質(zhì)量數(shù)減少4。因此，質(zhì)子數(shù)減少1，中子數(shù)也減少1。2.A解析思路：α粒子電荷數(shù)最大（+2），質(zhì)量數(shù)也最大，與物質(zhì)相互作用時(shí)極易使原子電離，但穿透能力最弱，僅能穿透幾厘米的空氣或一張薄紙。β粒子穿透能力較強(qiáng)，γ射線穿透能力最強(qiáng)。3.C解析思路：α粒子能量高，電離能力強(qiáng)，但易被材料吸收。鋰漂移晶體探測(cè)器對(duì)α粒子有良好的能量分辨率，是測(cè)量α能譜或低能β能譜（如3H,3H）的常用探測(cè)器。密封閃爍體主要用于β粒子。4.D解析思路：氡氣（23?Rn）是氣體，其衰變子體（如212Pb產(chǎn)生的212Bi）會(huì)附著在空氣顆粒物上。使用正比計(jì)數(shù)器或相關(guān)探測(cè)器（如基于閃爍體的蓋革計(jì)數(shù)器）可以直接測(cè)量氡氣或其短半衰期子體產(chǎn)生的電離電流。5.C解析思路：能量分辨率指探測(cè)器區(qū)分相鄰兩條譜線的能力，高分辨率能更好地區(qū)分不同能量的伽馬射線，從而準(zhǔn)確識(shí)別和定量分析樣品中的放射性核素。6.C解析思路：NAA的核心在于通過(guò)核反應(yīng)引入易測(cè)量的標(biāo)記核素（如激發(fā)態(tài)的子核），其后續(xù)衰變產(chǎn)生的特征伽馬射線可用于定量。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于可同時(shí)測(cè)定多種元素，樣品前處理相對(duì)簡(jiǎn)單，且屬于非破壞性或微破壞性分析。7.B解析思路：根據(jù)放射性衰變定律，放射性核素的活度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減，公式為N(t)=N?e^(-λt)或A(t)=A?e^(-λt)，其中λ為衰變常數(shù)。8.C解析思路：空中伽馬能譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能快速掃描大范圍區(qū)域，通過(guò)探測(cè)環(huán)境本底和異常增強(qiáng)的伽馬能譜特征（如13?Cs,???Sr的譜峰），迅速確定潛在污染區(qū)域，是應(yīng)急響應(yīng)的快速偵察手段。9.B解析思路：液體閃爍計(jì)數(shù)器利用閃爍體將放射性核素衰變時(shí)釋放的β粒子或高能γ射線產(chǎn)生的次級(jí)電子（或光電子）與閃爍體分子相互作用產(chǎn)生的光子（scintillation）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)β粒子探測(cè)效率高。10.C解析思路：時(shí)間防護(hù)是指在可能的情況下，盡量縮短在輻射源附近或輻射場(chǎng)中的暴露時(shí)間，從而減少接受的總劑量。二、填空題1.伽馬射線解析思路：伽馬衰變是放射性衰變的一種方式，其特征是釋放電磁輻射——伽馬射線。2.劑量；希沃特（Sv）解析思路：輻射劑量是衡量接受輻射傷害的物理量，國(guó)際單位制單位為希沃特（J/kg），專門(mén)用于表示電離輻射的劑量當(dāng)量或有效劑量當(dāng)量。3.核輻射（或放射性粒子/光子/中子）解析思路：核探測(cè)器的核心功能是識(shí)別和測(cè)量來(lái)自放射性核衰變或核反應(yīng)產(chǎn)生的各種射線或粒子。4.能量；道計(jì)數(shù)（或計(jì)數(shù)率）解析思路：伽馬能譜圖的橫軸表示探測(cè)到的伽馬射線能量，縱軸表示對(duì)應(yīng)能量值的道計(jì)數(shù)或計(jì)數(shù)率，反映了不同能量射線的相對(duì)強(qiáng)度。5.激發(fā)核（或活化核）解析思路：中子活化分析中，中子與靶核發(fā)生反應(yīng)，使原子核處于激發(fā)態(tài)，這個(gè)處于激發(fā)態(tài)的原子核就是激發(fā)核，它是后續(xù)產(chǎn)生可測(cè)量射線（如伽馬射線）的源頭。6.放射性同位素示蹤法解析思路：利用半衰期合適、化學(xué)性質(zhì)與目標(biāo)物質(zhì)相似的放射性同位素作為示蹤劑，引入到環(huán)境介質(zhì)或研究系統(tǒng)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)示蹤劑的遷移、分布或變化來(lái)研究環(huán)境過(guò)程。7.1.0解析思路：根據(jù)IAEA安全標(biāo)準(zhǔn)叁（1990），對(duì)非職業(yè)照射的成員個(gè)人，年有效劑量當(dāng)量限值為1.0Sv。8.指數(shù)（或指數(shù)遞減）解析思路：由放射性衰變定律可知，活度隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系衰減。9.電離（或躍遷）解析思路：XRF技術(shù)是基于基態(tài)原子核外層電子吸收能量后發(fā)生電離，躍遷到較高能級(jí)，當(dāng)電子回到基態(tài)或其他較低能級(jí)時(shí)，會(huì)釋放能量，其中一部分以特征X射線形式輻射出來(lái)，這些特征X射線的能量與原子序數(shù)有關(guān)，可用于元素分析。10.空氣；食品解析思路：核電廠運(yùn)行可能釋放放射性物質(zhì)至環(huán)境，空氣中可能存在氣態(tài)或氣溶膠狀放射性核素，食品（尤其是蔬菜、牛奶等）可能通過(guò)空氣、水體或土壤吸收放射性核素，因此這兩者是重要的環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象。三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：蓋革-米勒計(jì)數(shù)器利用高電壓使計(jì)數(shù)管內(nèi)的氣體發(fā)生電離，α粒子或β粒子進(jìn)入管內(nèi)時(shí)產(chǎn)生的初始電離離子對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下迅速擴(kuò)展形成電離放電（雪崩），產(chǎn)生一個(gè)短暫的電流脈沖，經(jīng)放大后觸發(fā)計(jì)數(shù)電路，記錄一次計(jì)數(shù)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本較低、計(jì)數(shù)效率較高（尤其對(duì)γ射線）。缺點(diǎn)是存在“死時(shí)間”，即一次計(jì)數(shù)后需要一段時(shí)間才能恢復(fù)到能計(jì)數(shù)下一個(gè)事件的狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)際計(jì)數(shù)率低于真計(jì)數(shù)率；且對(duì)粒子類型不區(qū)分，無(wú)法區(qū)分α、β、γ。2.解析思路：測(cè)定天然放射性核素12?Ra活度的步驟通常包括：①樣品采集與制備：采集代表性土壤樣品，風(fēng)干、研磨、過(guò)篩，取適量樣品；②樣品測(cè)量：將樣品放入低背景伽馬能譜儀的探測(cè)器（如高純鍺探測(cè)器）中，進(jìn)行足夠時(shí)間的測(cè)量，獲取伽馬能譜；③能譜分析：識(shí)別譜圖中的12?Ra特征衰變系列（如12?I→12?Xe→12?Ce）的伽馬譜峰，如1.332MeV（???Sr→???Yb），1.176MeV（???Yb→???Zr）；④活度計(jì)算：根據(jù)測(cè)得的各特征峰的道計(jì)數(shù)率，利用探測(cè)器效率校準(zhǔn)曲線和衰變綱圖，計(jì)算各核素的活度，再根據(jù)衰變關(guān)系計(jì)算出12?Ra的活度。3.解析思路：輻射防護(hù)三原則是相互關(guān)聯(lián)、缺一不可的：①時(shí)間防護(hù)：盡可能縮短在輻射源附近或輻射場(chǎng)中的停留時(shí)間。②距離防護(hù)：盡量遠(yuǎn)離輻射源。輻射強(qiáng)度與距離的平方成反比，增大距離能顯著降低受照劑量。③屏蔽防護(hù)：在人與輻射源之間設(shè)置足夠厚的屏蔽材料（如鉛、混凝土、水等），利用屏蔽材料對(duì)輻射的吸收能力降低穿透輻射強(qiáng)度。選擇哪種防護(hù)方式取決于具體情況，通常優(yōu)先考慮時(shí)間防護(hù)和距離防護(hù)，輔以必要的屏蔽防護(hù)。4.解析思路：利用放射性同位素進(jìn)行環(huán)境示蹤的原理是：向環(huán)境介質(zhì)（水、空氣、土壤等）中引入已知活度的放射性示蹤劑，示蹤劑隨環(huán)境介質(zhì)或環(huán)境過(guò)程（如水流、擴(kuò)散、生物吸收、化學(xué)反應(yīng)）遷移、轉(zhuǎn)化和富集。通過(guò)在示蹤劑遷移路徑上的不同點(diǎn)或最終受體中測(cè)量放射性活度，可以追蹤物質(zhì)的遷移路徑、確定遷移速率、研究混合過(guò)程、評(píng)估污染擴(kuò)散范圍等。優(yōu)勢(shì)在于：①可檢測(cè)量極低，靈敏度高；②可用于研究難以直接觀測(cè)的過(guò)程；③可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；④標(biāo)記物與被研究物質(zhì)性質(zhì)相似，干擾小。四、計(jì)算題1.解析思路：a.利用放射性衰變公式A(t)=A?e^(-λt)。首先計(jì)算衰變常數(shù)λ=ln(2)/T?≈0.693/3.82d?1≈0.181d?1。10天后氡氣活度為A(10)=2.0×102Bq/m3*e^(-0.181*10)≈2.0×102Bq/m3*e^(-1.81)≈2.0×102Bq/m3*0.160≈32.0Bq/m3。b.設(shè)達(dá)到限值時(shí)間為t，則400Bq/m3=2.0×102Bq/m3*e^(-0.181t)。解得e^(-0.181t)=400/200=2。取對(duì)數(shù)得-0.181t=ln(2)≈0.693。t=0.693/0.181≈3.83天。需要約3.8天濃度才低于限值。2.解析思路：a.計(jì)算單位質(zhì)量鈉的活度：首先計(jì)算單位質(zhì)量樣品中鈉核的數(shù)量。鈉的摩爾質(zhì)量約為23g/mol，阿伏伽德羅數(shù)N?≈6.022×1023mol?1。樣品中鈉核數(shù)為N_Na=(10.0g/23g/mol)*(6.022×1023mol?1)*0.226≈5.58×1022。假設(shè)照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，所有鈉核均發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的23?Na核數(shù)等于N_Na。衰變計(jì)數(shù)率R=N*λ*(1-e^(-λt))。題目中未給出照射時(shí)間t，但假設(shè)t足夠長(zhǎng)或λt遠(yuǎn)小于1，則R≈N*λ。單位質(zhì)量鈉的活度A_Na=R/N_Na=(1200cpm/5.58×1022nuclei)≈2.15×10?21cpm/nucleus。b.計(jì)算樣品中鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：A_Na=A_Na,unit*ρ_Na*ρ_s。需要將cpm單位轉(zhuǎn)換為Bq（1cpm=1s?1），即A_Na=(2.15×10?21s?1/nucleus)*(1Bq/s?1)≈2.15×10?21Bq/nucleus。樣品中鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω_Na=A_Na/(λ*ρ_s)。將已知數(shù)值代入：ω_Na=(2.15×10?21Bq/nucleus)/(0.0245d?1*1year?1*365.25d/year*10?3kg/g)≈(2.15×10?21)/(0.0245*0.36525*103)Bq/g≈2.15×10?21/8.918Bq/g≈2.41×10?23g/g。轉(zhuǎn)換為百分比：ω_Na%=(2.41×10?23g/g)*100%≈0.0024%。五、論述題1.解析思路：伽馬能譜分析技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛，主要用于：①放射性核素識(shí)別與定性與定量：通過(guò)分析環(huán)境樣品（空氣、水、土壤、沉積物、生物體）的伽馬能譜，識(shí)別其中存在的放射性核素種類，并根據(jù)特征譜峰強(qiáng)度定量計(jì)算其活度濃度或總量。②天然放射性水平監(jiān)測(cè)：長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)環(huán)境中的天然放射性核素（如23?U系、232Th系核素及其衰變子體）的活度水平，評(píng)估其對(duì)公眾的天然輻射劑量貢獻(xiàn)。③人為放射性核素監(jiān)測(cè)：在核設(shè)施周邊、核事故應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)或核武器試驗(yàn)區(qū)域，監(jiān)測(cè)環(huán)境中可能出現(xiàn)的異常增強(qiáng)的人為放射性核素（如???Sr,13?Cs,1?C,32P等）的分布和水平。④放射性污染溯源：通過(guò)分析特征伽馬譜峰，有時(shí)可以追蹤污染源的類型。挑戰(zhàn)主要包括：①能量分辨率限制：對(duì)于能量相近的譜峰（如12?I(1.332MeV)和12?Xe(1.175MeV)），若探測(cè)器能量分辨率不高，可能難以完全區(qū)分，影響定量分析的準(zhǔn)確性。②本底干