2025年大学《核物理》专业题库- 超新星爆发对核物理的启示

2025年大学《核物理》专业题库——超新星爆发对核物理的启示考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填在答题纸上。）1.超新星爆发产生的中微子主要是哪种类型的中微子？A.电子中微子B.μ子中微子C.τ子中微子D.中性子2.根据核结合能曲线，铁元素（Fe-56）附近核子的平均结合能最大。超新星爆发过程中，合成比铁更重的元素主要依赖哪种核过程？A.碳氮氧循环B.氢壳层燃烧C.s过程（慢中子俘获过程）D.r过程（快中子俘获过程）3.关于Ia型超新星，下列描述错误的是？A.通常由白矮星与伴星物质积累引发B.爆发能量主要来自碳氧核的完全燃烧C.爆发产物主要是铁丰度元素D.其爆发机制与普通恒星演化直接相关4.s过程主要发生在宇宙的什么阶段？A.大爆炸初期B.主序星阶段C.超巨星晚期和渐近巨星支（AGB）阶段D.超新星爆发瞬间5.以下哪种观测现象是支持超新星爆发是重元素主要合成场所的关键证据之一？A.对遥远星系光谱中重元素丰度的测量B.对近场超新星遗迹化学成分的分析C.对中微子探测事件的分析D.以上都是6.超新星爆发时的极端条件（高温高压）对核物理研究的重要意义之一是？A.允许进行地球上无法实现的核反应B.提供了研究核力性质的天然实验室C.能够精确测量原子质量D.以上都是7.导致超新星内爆的主要能量来源之一是？A.核燃料燃烧释放的辐射压B.电子对产生导致的物质不透明度增加C.中微子能量沉积D.恒星自身引力收缩8.在核反应网络中，r过程通常发生在具有极高中子密度的环境中，如？A.AGB星内部B.超新星爆发的冲击波区域C.中子星合并事件D.行星状星云9.放射性同位素钚-240（Pu-240）的存在被观测到存在于某些超新星遗迹中，这对于理解超新星爆发机制有何启示？A.表明超新星爆发具有相对温和的力学机制B.暗示超新星爆发可能经历了多次内部核反应波C.证明超新星爆发不能产生重于铀的元素D.说明观测样本存在选择性偏差10.超新星爆发对核物理的“启示”不仅限于重元素合成，还包括对核反应率在极端条件下的影响的理解。这方面研究的意义在于？A.改进恒星演化模型B.验证标准模型中核力的准确性C.预测宇宙化学演化D.以上都是二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在答题纸上。）1.超新星爆发主要有两种类型，即________型和________型。2.在超新星爆发过程中，由中微子携带离开恒星核心的能量约占爆发总能量的_________%。3.s过程的主要产物是________元素，其合成对银河系早期化学演化贡献显著。4.r过程能够合成比铁更重的元素，其关键条件是极高的中子密度和丰度，以及足够长的时间窗口，这个时间窗口通常被称为________。5.观测到的一些超新星遗迹中存在过量的锂（Li），这通常被认为是超新星爆发时________层被抛射出来的证据。三、简答题（每题5分，共15分。请将答案写在答题纸上。）1.简述中微子为何在研究超新星爆发过程中扮演着至关重要的角色。2.简要说明s过程和r过程在核合成机制、发生环境以及主要产物方面的主要区别。3.超新星爆发如何为地球提供了形成所需的化学元素基础？四、论述题（10分。请将答案写在答题纸上。）结合核物理的基本原理，论述超新星爆发如何证实了快中子俘获（r-process）是合成宇宙中大部分重元素（原子序数大于84的元素）的主要机制，并说明支持这一结论的关键观测证据。试卷答案一、选择题1.C2.D3.D4.C5.D6.D7.C8.B9.B10.D二、填空题1.Ia；II2.993.锂（或Li）4.中子冷却时间（或n-coolingtime）5.氢（或H）三、简答题1.解析思路：中微子几乎不与物质发生相互作用，因此能几乎无损地逃离超新星爆发的核心区域。通过探测到来自超新星爆发事件的中微子，科学家可以精确地了解爆发的开始时间、核心发生的物理过程（如核合成、内爆反弹等）以及中微子能量沉积情况，这些信息对于理解超新星爆发的整体机制至关重要，而这是仅靠光学观测无法实现的。2.解析思路：s过程发生在AGB星等相对温和的环境中，利用恒星内部中子密度较低的条件，通过逐个俘获中子缓慢合成比铁重的元素，主要产物是比铁轻的稀有气体元素（如锕系和镧系元素），合成时间尺度较长。r过程发生在超新星爆发或中子星合并等中子密度极高（>10^31cm^-3）的极端环境中，通过极快地（毫秒量级）俘获大量中子合成重元素，主要产物是锕系元素和超铀元素，需要中子冷却时间窗口。3.解析思路：恒星在其生命周期的不同阶段通过核聚变产生元素，从氢到铁。超新星爆发是一种剧烈的天体现象，能够将恒星内部合成的大部分元素（特别是比铁重的元素）以及一部分未参与核合成的心部物质猛烈抛射到星际空间。这些被抛射的物质丰富了星际介质，成为新一代恒星和行星形成的原材料，从而为地球等行星提供了形成所需的各种化学元素基础。四、论述题解析思路：1.核物理基础：r-process的核心是极快地俘获中子以克服库仑势垒合成重核。这要求极高的中子密度（>10^31cm^-3）和相对较长的中子“存活”时间（>10^-3s），即中子冷却时间窗口。同时，需要大量自由中子来源。2.超新星环境匹配：超新星爆发（特别是核心坍缩型II型超新星和中子星合并）能够提供上述条件。爆发冲击波扫过富含氦或碳氧的核心区域，产生极高的中子密度。同时，中微子能量沉积在冲击波后部可以加热中微子吸收物质，延长中子存活时间，形成中子冷却时间窗口。3.产物特征：r-process理论上可以合成从锕系元素（如锕系元素）到超铀元素（如锔Cm）的整个周期系，且产物具有特殊同位素丰度特征，如具有高丰度的中等质量同位素（“驼峰”结构）和极低的锕系元素偶偶同位素丰度。4.观测证据：*元素丰度：宇宙中重元素（特别是比铅重的元素）丰度远超普通核合成理论（如s过程）所能解释的水平，尤其是在金属贫星系中，重元素丰度与铁丰度（Fe/H）呈线性关系，这是r-process广泛发生的标志。*同位素比例：对某些重元素（如锔Cm）的同位素比例测量，与超新星或中子星合并模型预测的结果高度吻合。*中微子探测：几次近距离超新星（如SN1987A）的中微子探测事件，不仅验证了超新星爆发的标准模型，也间接证实了爆发中心发生了剧烈的核过程，包括大量的中子生成，