2025年大学《物理学》专业题库- 原子核物理学的实验技术和方法

2025年大学《物理学》专业题库——原子核物理学的实验技术和方法考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。在每小题列出的四个选项中，只有一个是符合题目要求的，请将正确选项字母填在题后的括号内。）1.在核辐射探测中，盖革-米勒计数器的主要优点是（）。A.分辨率非常高B.对所有类型核辐射的探测效率都很高C.结构简单，成本较低，易于维护D.可以精确测量辐射源的活度2.闪烁计数器相比于盖革-米勒计数器，其主要优势在于（）。A.对γ射线的探测效率更高B.本底计数率更低C.对电离辐射的响应时间更短D.制造工艺更简单3.半导体探测器（如硅半导体探测器）在核辐射测量中主要利用的是（）。A.核辐射的电离效应B.核辐射的光电效应C.核辐射在半导体中产生的内光电效应（雪崩效应）D.核辐射的散射效应4.在γ能谱分析中，影响谱仪能量分辨率的主要因素之一是（）。A.探测器的几何尺寸B.射线在探测器中的吸收深度C.探测器和前置放大器的噪声水平D.谱仪的定标速度5.用于测量中子能谱的探测器通常需要具备的特性是（）。A.对所有能量中子具有相同的探测效率B.能够区分中子与γ射线C.响应时间极短D.本底计数率极低6.在核反应实验中，测量反应截面通常需要知道（）。A.入射粒子束流强度B.被轰击靶材的厚度C.反应发生的概率（反应率）D.以上所有7.β衰变过程中，原子核的质量数A和原子序数Z的变化是（）。A.A减小1，Z不变B.A不变，Z增加1C.A减小1，Z增加1D.A不变，Z减小18.为了研究放射性同位素的衰变规律，测量其半衰期时，通常采用的方法是（）。A.在极短的时间内计数尽可能多的衰变事件B.测量大量样品的总衰变数随时间的变化C.单独测量单个衰变事件的到达时间D.通过测量衰变产物的积累来间接确定9.在核物理实验中，分离纯化放射性物质常用的物理方法是（）。A.色谱法B.电泳法C.磁分离法D.蒸馏法10.对于核谱学实验数据，进行峰形分析的主要目的是（）。A.判断谱仪是否工作正常B.确定样品中包含哪些核素C.计算样品的放射性活度D.评估实验数据的统计误差二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在题中横线上。）1.核辐射探测器的主要性能指标包括探测效率、______、本底计数率和响应时间。2.γ射线在物质中主要通过______和______两种机制损失能量。3.在使用盖革-米勒计数器时，为了避免连续放电，通常需要施加______脉冲来使计数器恢复到初始状态。4.半导体探测器对辐射的响应与入射粒子在探测器材料中的______有关。5.核反应截面σ的定义是：在单位时间、单位面积靶材上，发生特定核反应的______与入射粒子通量之比。6.α衰变是原子核自发释放出______粒子的过程。7.放射性衰变定律描述了放射性核素的活度随时间衰减的规律，其数学形式通常表示为N(t)=N₀e^(-λt)，其中λ称为______。8.为了提高γ能谱分析的分辨率，通常需要选用______能谱仪，并配合______探测器。9.在核反应实验中，如果需要测量出射粒子的能量，除了探测器本身，通常还需要利用______来偏转和聚焦带电粒子。10.实验数据的统计处理中，标准偏差是衡量数据______的常用指标。三、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题。）1.简述电离室和盖革-米勒计数器在基本工作原理上的主要区别。2.解释什么是半衰期，并说明半衰期与放射性活度之间的关系。3.在核反应实验中，为什么要使用磁谱仪？它主要能解决什么问题？4.简述γ能谱分析中，谱峰幅度与对应核素衰变概率（分支比）之间的关系。四、计算题（每小题10分，共30分。请列出必要的公式和计算步骤。）1.某闪烁探测器对能量为1MeV的γ射线探测效率为15%。假设探测器接收到的γ射线是统计独立的，随机计数了1000次信号，其中发生了3次背景计数。求该时刻由该γ射线源产生的真计数率（单位：次/秒）。2.一个放射性样品在开始时的活度为10^6Bq，其半衰期为5天。求：a.经过10天后，样品的活度剩余多少？b.经过多少时间，样品的活度衰减到初始值的1%？3.在一个核反应实验中，用强度为I₀=10^12粒子/秒的α粒子束轰击厚度为d=1mg/cm²的靶材，测得在距靶材下游距离R=10cm处，发生特定核反应的计数率为N=5×10^5计数/秒。已知该核反应的截面σ=10^-24cm²。求该核反应的微观截面（反应截面）σ_m（单位：barn）。（提示：考虑几何关系）---试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.C5.B6.D7.C8.B9.A10.B二、填空题1.分辨率2.康普顿散射，光电效应3.甄别4.道路长度5.概率6.α7.衰变常数8.高分辨率，闪烁9.磁场10.波动性（或离散程度/精密度）三、简答题1.解析思路：电离室主要利用电离效应累积电荷进行计数，输出与输入信号成正比（或电压变化），对电离辐射响应线性，无阈值；盖革-米勒计数器利用强电场使电离产生的电子雪崩倍增，输出为脉冲信号，具有高灵敏度（阈值低），但输出脉冲幅度与输入射线能量无关，且存在连续放电问题。2.解析思路：半衰期是放射性核素原子核数量减少到原始数量一半所需的时间，是一个统计规律。活度是单位时间内发生衰变的原子核数，根据衰变定律N(t)=N₀e^(-λt)，活度A(t)=λN(t)=λN₀e^(-λt)=A₀e^(-λt)，其中A₀=λN₀为初始活度。可见，活度与半衰期成指数关系，活度是随时间衰减的量。3.解析思路：核反应实验中，出射粒子（如α,β,γ,中子等）的种类和能量通常不同。磁场可以对带电粒子施加洛伦兹力，使其发生偏转，根据偏转方向和半径可以判断粒子荷质比（q/m），根据偏转角度可以与能量相关联，从而实现出射粒子的能量、种类分析或分离。这是磁谱仪的基本原理和作用。4.解析思路：γ能谱分析中，每个γ射线能级对应一个特定的跃迁，其发生的概率称为分支比。谱峰的幅度（或面积）正比于该能级对应的分支比乘以探测效率。因此，谱峰幅度反映了相应核素衰变分支的相对概率，可以据此判断样品中存在的核素及其丰度。四、计算题1.解析思路：首先计算探测效率对应的真计数率比例，即1000*15%=150次。背景计数是随机事件，真计数和背景计数可以认为是统计独立的。总计数率为150+3=153次/秒。真计数率=总计数率*(探测效率/(探测效率+1))=153*(15%/(15%+1))=153*(0.15/1.15)≈20.09次/秒。2.解析思路：a.利用半衰期公式A(t)=A₀*(1/2)^(t/T½)，其中t=10天，T½=5天。A(10)=10^6*(1/2)^(10/5)=10^6*(1/2)^2=10^6*1/4=2.5×10^5Bq。b.要求A(t)=A₀*1%=10^4Bq。代入公式(1/2)^(t/T½)=A(t)/A₀=10^4/10^6=1/100=0.01。取对数得t/T½=log(0.01)/log(0.5)=-2/-0.301≈6.64。t=6.64*T½=6.64*5天≈33.2天。3.解析思路：核反应截面σ的定义dN/dtdA=N₀σI₀，其中dN是单位时间、单位面积靶材上发生的反应数，dtdA是单位时间、单位面积靶材的厚度。在下游距离R处测得的计数率N，可以看作是单位时间通过距离R的出射粒子数。考虑靶材为无限大平板近似，单位时间通过距离R的粒子数与靶材厚度d和粒子束强度I₀成正比，即N∝I₀*d。因此，N=σ*