2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——放射性同位素在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用考試時間：______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.下列哪種放射性衰變方式會使得原子核的質(zhì)子數(shù)增加1？(A)α衰變(B)β?衰變(C)β?衰變(D)γ衰變2.在放射性同位素示蹤實驗中，選擇示蹤劑的首要考慮因素通常不是：(A)放射性活度適中(B)環(huán)境行為與被研究物質(zhì)相似(C)易于檢測且本底輻射低(D)生產(chǎn)成本極低3.利用碳-14（1?C）測定古生物年齡的基本原理是：(A)測量古生物體內(nèi)穩(wěn)定碳同位素的比例(B)利用1?C的強放射性穿透古生物樣本(C)1?C通過放射性衰變轉(zhuǎn)變?yōu)?3N，并測量其積累量(D)1?C的半衰期極短，使其只存在于現(xiàn)代生物體內(nèi)4.在測量環(huán)境水樣中的放射性活度時，對于含鹽量高的樣品，通常需要進(jìn)行預(yù)處理，其主要目的是：(A)提高樣品的放射性活度濃度(B)增強放射性核素在樣品中的溶解度(C)去除干擾離子，減少測量本底(D)使樣品體積減小，便于運輸5.放射性活度（A）與衰變常數(shù)（λ）的關(guān)系是：(A)A=λN?(B)A=N?/λ(C)A=N?e^(-λt)(D)A=λ/N?6.在使用蓋革-米勒計數(shù)器測量放射性樣品時，觀察到計數(shù)率隨時間明顯下降，這種現(xiàn)象最可能是由于：(A)樣品放射性衰變減緩(B)計數(shù)器死時間效應(yīng)(C)外界環(huán)境本底輻射增強(D)樣品中的放射性核素發(fā)生了化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)化7.某環(huán)境監(jiān)測報告指出，某水域沉積物中銫-137（??Cs）的比活度為5Bq/g。該數(shù)值表示：(A)每克沉積物每秒發(fā)生5次??Cs衰變(B)每克沉積物中包含5克??Cs(C)每克沉積物中包含5貝克勒爾的其他放射性核素(D)??Cs在沉積物中的吸附效率為5%8.對于放射性廢物的處理，通常采用深地質(zhì)處置的主要考慮是：(A)容易回收利用(B)能量轉(zhuǎn)換效率高(C)長期隔離能力與環(huán)境保護(hù)(D)成本最低廉9.放射性示蹤技術(shù)之所以能在環(huán)境科學(xué)中廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵原因在于：(A)放射性同位素來源豐富且廉價(B)放射性探測技術(shù)靈敏度高、特異性好(C)放射性同位素在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化迅速(D)放射性同位素不易引起環(huán)境問題10.測量地下水中氚（3H）含量，通常選用的方法是：(A)理化性質(zhì)直接測量法(B)利用3H與氘（2H）的物理性質(zhì)差異(C)液體閃爍計數(shù)法或正比計數(shù)法(D)通過測量水中溶解氧含量間接推算二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.放射性衰變遵循________定律，即放射性活度隨時間呈指數(shù)衰減。2.用于環(huán)境監(jiān)測的放射性同位素，其________應(yīng)盡可能長，以便于測量和減少對環(huán)境的干擾。3.放射性活度單位“貝克勒爾”（Bq）的定義是：________。4.在進(jìn)行環(huán)境樣品放射性測量時，為了獲得準(zhǔn)確結(jié)果，必須進(jìn)行________和________。5.利用放射性同位素研究水循環(huán)時，常用的示蹤劑有________和________。6.輻射防護(hù)的基本原則是________、________和________。7.放射性同位素示蹤法的核心思想是利用放射性同位素作為“________”，通過追蹤其________來研究環(huán)境過程。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述α、β?、γ三種放射性衰變過程中，原子核的質(zhì)子數(shù)（Z）和中子數(shù)（N）如何變化。2.簡要說明為什么在環(huán)境樣品中進(jìn)行放射性測量前，通常需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理？3.簡述利用碳-14（1?C）進(jìn)行年代測定的基本原理和適用范圍。4.簡述放射性同位素示蹤法與化學(xué)示蹤法相比，有哪些主要優(yōu)點？四、計算題（每題7分，共21分）1.已知某放射性同位素的半衰期為10天。若初始時刻該同位素的活度為1000Ci，求：(1)5天后該同位素的活度剩余多少？（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）(2)該同位素衰變掉90%需要多長時間？（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）2.某研究人員測量了某湖泊表層沉積物樣品的放射性活度，在計數(shù)效率為60%、本底計數(shù)率為10counts/min的情況下，測得樣品的凈計數(shù)率為500counts/min。假設(shè)樣品質(zhì)量為200g，計算該沉積物中放射性核素的比活度，單位為Bq/kg。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）3.為研究某地下水流速，研究人員在一段長為500米的河流段上下游布設(shè)取樣點，同時測量水中氚（3H）的比活度。上游點測得比活度為10Bq/L，下游點測得比活度為8Bq/L。假設(shè)水流穩(wěn)定，且3H在水中行為如同保守物質(zhì)（不衰減、不吸附、不揮發(fā)），忽略本底差異。計算該河段的地下水流速，單位為米/天。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字，已知3H的半衰期約為12.3年）五、論述題（10分）論述放射性同位素示蹤技術(shù)在研究環(huán)境污染物遷移轉(zhuǎn)化過程中的作用和局限性。試卷答案一、選擇題1.(B)2.(D)3.(C)4.(C)5.(A)6.(B)7.(A)8.(C)9.(B)10.(C)二、填空題1.指數(shù)2.半衰期3.每秒鐘發(fā)生一次核衰變的原子核個數(shù)4.質(zhì)量保證，質(zhì)量控制5.氚（3H），氚（3H）或氚（3H）6.源項控制，時間防護(hù)，距離防護(hù)7.標(biāo)記，遷移路徑與變化三、簡答題1.解析思路：分析三種衰變中原子核電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)的變化。α衰變：失去2個質(zhì)子和2個中子，Z減2，N減2。β?衰變：一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，釋放電子和反電子中微子，Z加1，N減1。β?衰變：一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，釋放正電子和電子中微子，Z減1，N加1。γ衰變：原子核從高能級躍遷到低能級，釋放γ光子，不改變Z和N。答案：α衰變時，原子核失去2個質(zhì)子和2個中子，質(zhì)子數(shù)Z減少2，中子數(shù)N減少2。β?衰變時，一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，同時釋放一個電子（β?粒子）和一個反電子中微子，質(zhì)子數(shù)Z增加1，中子數(shù)N減少1。β?衰變時，一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，同時釋放一個正電子（β?粒子）和一個電子中微子，質(zhì)子數(shù)Z減少1，中子數(shù)N增加1。γ衰變是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級時釋放的射線，不改變原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)。2.解析思路：闡述環(huán)境樣品中放射性核素濃度通常較低，且常伴有大量干擾物質(zhì)。直接測量可能導(dǎo)致計數(shù)本底過高、信號微弱、難以區(qū)分，甚至無法測量。預(yù)處理（如過濾、沉淀、萃取、燃燒）旨在去除干擾物質(zhì)，濃縮目標(biāo)放射性核素，提高其相對濃度，從而降低本底干擾，提高測量靈敏度和準(zhǔn)確性。答案：環(huán)境樣品中放射性核素濃度通常很低，且樣品成分復(fù)雜，含有大量非放射性物質(zhì)。直接測量時，探測器探測到的計數(shù)中大部分來自樣品的本底輻射和散射輻射，目標(biāo)放射性核素的信號可能被淹沒，導(dǎo)致測量困難或誤差很大。樣品預(yù)處理（例如，過濾去除懸浮物，沉淀去除可溶性鹽分，萃取富集特定放射性核素，燃燒將放射性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體收集等）可以有效地去除干擾成分，或者將目標(biāo)放射性核素濃縮，從而顯著提高目標(biāo)核素的相對活度，降低測量本底的影響，提高探測靈敏度和結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.解析思路：解釋1?C的放射性特性及其在生物圈中的循環(huán)。生物體通過呼吸作用和食物鏈不斷吸收環(huán)境中的1?C，使其體內(nèi)1?C的比活度與大氣基本保持平衡。當(dāng)生物體死亡后，其體內(nèi)的1?C不再得到補充，開始按照其固有的半衰期衰變。通過測量古生物遺存中剩余的1?C活度，并與現(xiàn)代生物或已知年代標(biāo)本的活度進(jìn)行比較，利用放射性衰變定律可以推算出古生物遺存的年齡。該方法適用于測定有機物遺存，如木頭、骨骼、殼體等，通常適用于幾千年到幾萬年的時間范圍。答案：碳-14（1?C）是一種具有放射性的碳同位素，其半衰期約為5730年，在自然界大氣中通過宇宙射線與氮氣反應(yīng)產(chǎn)生，并參與大氣碳循環(huán)，被生物體通過光合作用和呼吸作用吸收進(jìn)入體內(nèi)?；畹纳矬w通過新陳代謝使體內(nèi)1?C的比活度與大氣基本保持一致。當(dāng)生物體死亡后，其體內(nèi)的1?C不再與外界交換，開始按照其半衰期進(jìn)行放射性衰變（轉(zhuǎn)變?yōu)榈?14）。通過測量古生物遺存（如木炭、骨骼、有機沉積物）中剩余的1?C活度，并與現(xiàn)代生物或已知考古年代標(biāo)本的1?C活度進(jìn)行比較，利用放射性衰變公式可以計算出該古生物遺存的死亡年代。這種方法稱為放射性碳定年法，主要適用于測定年齡在幾千年到幾萬年范圍內(nèi)的有機材料。4.解析思路：對比放射性示蹤和化學(xué)示蹤的優(yōu)缺點。放射性示蹤法的優(yōu)勢在于探測靈敏度高（可探測單個原子核衰變）、選擇性好（特定核素的輻射特性獨特）、可研究不易被直接探測的物質(zhì)或過程、可實現(xiàn)非破壞性測量。劣勢在于可能存在放射性污染風(fēng)險、部分核素半衰期短或獲取困難、成本較高、安全性需要嚴(yán)格管理?；瘜W(xué)示蹤法優(yōu)點是試劑通常易得、成本較低、操作相對簡單。缺點是探測靈敏度通常較低，易受環(huán)境復(fù)雜化學(xué)成分干擾，選擇性可能不高，有時需要破壞樣品進(jìn)行測量。答案：放射性同位素示蹤法的優(yōu)點在于探測靈敏度高，即使是極其微量的示蹤劑也能被檢測到；具有高度的選擇性，因為每種放射性同位素都有其獨特的衰變輻射特征，容易與背景輻射區(qū)分；可以用于追蹤不易被直接觀測到的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程，且通常為非破壞性測量。缺點是部分放射性同位素半衰期短或獲取、處理成本較高，存在潛在的放射性安全和環(huán)境風(fēng)險，需要嚴(yán)格遵守輻射防護(hù)規(guī)定。化學(xué)示蹤法通常使用非放射性的化學(xué)試劑，優(yōu)點是試劑易得、成本相對較低、操作簡便。缺點是探測靈敏度通常不如放射性示蹤法，容易受到環(huán)境復(fù)雜化學(xué)成分的干擾，選擇性可能較差，有時需要破壞樣品才能進(jìn)行測量。四、計算題1.解析思路：使用放射性衰變公式A=A?e^(-λt)或A=A?(1/2)^(t/T?/?)。首先計算衰變常數(shù)λ=ln(2)/T?/?。然后代入公式計算5天后的活度，再利用公式計算衰減掉90%所需時間。答案：(1)λ=ln(2)/10天≈0.0693天?1A=1000Ci*e^(-0.0693*5)≈1000*e^(-0.3465)≈1000*0.7069≈70.7Ci5天后活度約為70.7Ci。(2)衰變掉90%，剩余10%，即A/A?=0.1。0.1=(1/2)^(t/T?/?)ln(0.1)=(t/T?/?)*ln(2)t/10天=ln(0.1)/ln(2)≈-2.3026/0.6931≈-3.32t≈-3.32*10天≈33.2天衰變掉90%需要約33.2天。2.解析思路：首先計算樣品中放射性核素的凈計數(shù)率（扣除本底）。然后用凈計數(shù)率除以樣品質(zhì)量和測量時間（或直接除以樣品質(zhì)量，如果時間已知且單位一致），再考慮探測效率，得到比活度。注意單位換算。答案：凈計數(shù)率=測量計數(shù)率-本底計數(shù)率=500counts/min-10counts/min=490counts/min比活度（不考慮時間，單位Bq/g）=(凈計數(shù)率/探測效率)*(1min/60s)比活度=(490counts/min/0.60)*(1min/60s)≈816.7counts/(min·g)比活度（Bq/g）=816.7counts/(min·g)*(1min/60s)*(1Bq/1count/s)=13.6Bq/g該沉積物中放射性核素的比活度約為13.6Bq/kg。3.解析思路：假設(shè)3H在水中行為保守，則下游與上游水中3H的比活度之比等于水流通過該河段所需的時間（水力傳導(dǎo)時間）之比。利用這個關(guān)系式可以解出水力傳導(dǎo)時間，再轉(zhuǎn)換為流速。注意3H半衰期在此題中通常作為背景知識，不直接用于計算，除非題目特別要求估算衰變校正。答案：設(shè)水流速為V(m/day)，河段長度L=500m，上下游比活度分別為A_up和A_down。水流通過河段所需時間t=L/V。在保守假設(shè)下，下游比活度是上游比活度的(1-t/τ)倍，其中τ是3H的有效半衰期（近似等于物理半衰期12.3年）。A_down/A_up=(1-L/V)/(1-0)=1-L/V8Bq/L/10Bq/L=1-(500m/V)/(365.25days/day*24hours/day)0.8=1-(500/(V*8760))500/(V*8760)=1-0.8=0.2V*8760=500/0.2=2500V=2500/8760≈0.284m/day地下水流速約為0.284m/day。五、論述題解析思路：從原理、應(yīng)用、優(yōu)勢、局限等方面全面論述。原理上，利用放射性同位素的示蹤特性（易探測、可定量）追蹤物質(zhì)遷移路徑和速率。應(yīng)用上，可研究水、氣體、溶質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的遷移，營養(yǎng)元素循環(huán)，污染物擴散和轉(zhuǎn)化。優(yōu)勢在于靈敏度高、選擇性好、可定量、非破壞性。局限性在于可能存在放射性污染風(fēng)險、成本較高、部分核素半衰期不合適、環(huán)境行為復(fù)雜可能影響示蹤效果、需要專業(yè)防護(hù)知識等。