2025年大学《核物理》专业题库- 核物理学在地质探测中的应用

2025年大学《核物理》专业题库——核物理学在地质探测中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项字母填在括号内）1.在利用放射性同位素进行年代测定时，选择同位素的主要依据之一是其具有（）。A.较长的半衰期且衰变产物易于探测B.较短的半衰期且衰变能量高C.半衰期适中且衰变方式多样D.半衰期极短且半衰期不随环境变化2.伽马能谱测量中，能够提供样品中不同放射性核素种类信息的主要依据是（）。A.计数率高低B.能谱峰的位置C.能谱峰的面积D.探测器的效率3.中子活化分析（NAA）的主要优点之一是（）。A.可以同时测定多种元素B.对样品的破坏性很大C.只能测定样品中含量较高的元素D.需要复杂的样品前处理4.在地质勘探中，利用伽马能谱测量进行铀矿勘查时，通常关注的是（）。A.钾（K-40）产生的伽马射线峰B.铀（U）和钍（Th）产生的特定能量伽马射线峰C.氢（H）产生的自然辐射D.铝（Al）产生的特征X射线5.下列哪种核物理方法通常不直接用于地下水位的探测？（）A.中子水分计B.伽马射线透射法C.放射性示踪法D.伽马能谱法（直接测氡浓度）6.使含氢物质（如水）发生热中子俘获反应，产生伽马射线特征峰（如10MeV）的核反应是（）。A.¹H(n,γ)²HB.¹H(n,α)³HeC.¹H(n,ft)⁰n+⁴HeD.¹H(n,an)⁶Li7.在进行中子活化分析时，选择空白样的目的是（）。A.提高探测效率B.减少本底计数C.消除仪器本底干扰D.校准样品重量8.天然放射性核素衰变链的终点通常是（）。A.放射性极强的核素B.放射性极弱的核素（稳定核素）C.中子数和质子数相等的核素D.质子数和中子数都最多的核素9.根据比尔-朗伯定律，当样品厚度增加时，探测器接收到的伽马射线计数率将（）。A.增加B.减少C.不变D.先增后减10.利用正电子发射断层扫描（PET）技术研究地质结构，主要利用的是（）。A.伽马射线与物质的相互作用B.中子与物质的相互作用C.正电子与物质的湮灭产生的两个伽马射线在空间上的角度关系D.放射性同位素的衰变热二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.放射性同位素的衰变率随时间呈______变化，遵循______定律。2.伽马能谱中，每个峰的位置与其对应的放射性核素的______有关。3.中子活化分析中，样品经中子照射后，发生核反应产生的放射性核素称为______。4.地质勘探中，利用伽马能谱测量钾含量时，主要探测的是______（元素符号）衰变产生的1.46MeV和1.51MeV的伽马射线。5.探测天然放射性水平时，常用的指标是______和______。6.标识探测器效率时，常使用半值层（SUV）或全值层（FV）的概念，它们分别表示能将探测器计数率降低到______或______时的吸收材料厚度。7.在利用中子活化分析测定样品中钠（Na）含量时，通常选择照射后的______作为分析对象。8.地质年代测定中，碳十四（¹⁴C）主要用于测定______（时间范围）内的有机物年龄。9.辐射防护中，针对电离辐射的三种主要防护方式是时间防护、距离防护和______。10.核物理方法在工程地质勘察中，可用于探测地下空洞，其原理通常基于______在空洞区域分布不均的特性。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述伽马能谱测量的基本原理及其在地质探测中的一项主要应用。2.与化学分析方法相比，简述中子活化分析（NAA）在地质样品元素分析中的几项主要优势。3.解释什么是衰变链，并举例说明天然放射性衰变链在地质年代测定或环境监测中的应用。四、计算题（每题7分，共14分）1.某放射性同位素的半衰期为10天。现测得该同位素样品的活度为1×10⁶Bq。求：a.3天后样品的活度是多少？b.样品的衰变常数λ是多少？2.假设使用一个探测效率为10%的伽马能谱仪，测量某地质样品中能量为1.33MeV的伽马射线。已知样品在该能量处的本底计数率为100计数/分钟。若在相同条件下测量样品，探测器计数率为800计数/分钟。估算样品在该能量处由放射性核素产生的计数率（不考虑衰变积累效应）。五、论述题（10分）结合具体的地质应用场景，论述中子活化分析（NAA）技术在测定岩石或土壤中多种元素组成方面的优势、局限性以及可能需要采取的样品处理措施。试卷答案一、选择题1.A解析思路：年代测定需要选择半衰期足够长（以保证有足够长的探测时间窗口）且半衰期稳定、衰变产物易于探测（如伽马射线能量特征明显）的同位素。2.B解析思路：伽马射线的能量是原子核能级跃迁的特征，不同核素发射的伽马射线能量不同，因此能谱峰的位置可以用来识别样品中存在的放射性核素种类。3.A解析思路：NAA利用核反应产生新的放射性核素，这些核素具有特定的衰变模式和半衰期，可以通过探测其衰变产物来同时测定多种元素，这是其核心优势。4.B解析思路：铀矿勘查主要关注的是铀（U）和钍（Th）这两个主要放射性元素，它们会衰变产生具有特征能量的伽马射线，这些射线峰在伽马能谱中可以识别。5.D解析思路：伽马能谱法（直接测氡浓度）主要用于测定氡（Rn）及其子体浓度，氡主要来源于铀和钍的衰变，浓度异常通常与岩层破碎、地下水活动有关，但直接反映的是氡浓度而非水位本身。其他方法均可间接或直接与水位相关。6.A解析思路：热中子与氢核（质子）发生俘获反应，生成気核，并释放出能量约为10MeV的伽马射线，这是中子水分计的基本工作原理。7.B解析思路：空白样（未照射或照射后未放置的样品）用于测量仪器本底计数和可能的容器contamination，目的是从测量样品的计数中扣除这些干扰，提高测量准确性。8.B解析思路：天然放射性衰变链是指放射性核素通过一系列连续的衰变最终到达一个稳定的核素的过程，这个稳定的核素就是衰变链的终点。9.B解析思路：根据比尔-朗伯定律，伽马射线强度（或计数率）与吸收层厚度成正比，样品厚度增加，对伽马射线的吸收增加，到达探测器的射线减少，计数率降低。10.C解析思路：PET技术基于正电子发射断层扫描原理，正电子与电子湮灭产生的两个方向相反的伽马射线被探测器接收，通过重建算法形成断层图像，利用此原理可研究物质分布。二、填空题1.指数；衰变解析思路：放射性衰变是统计过程，遵循指数衰减规律。2.能量解析思路：伽马射线能量是核能级差的表现，是核素的特征。3.活性核素；感生放射性核素解析思路：在中子照射下发生核反应产生的放射性核素。4.K解析思路：钾-40(⁴⁰K)衰变主要发射1.46MeV和1.51MeV的缓发伽马射线，可用于测年或环境辐射水平。5.比活度；剂量率解析思路：衡量放射性水平的常用物理量。6.一半；零解析思路：半值层指计数率降至原来一半时的吸收层厚度，全值层指计数率降至原来零（理论上）时的吸收层厚度。7.感生放射性核素；次级核素解析思路：为避免直接测量易挥发元素（如Na）在照射过程中的损失，常测量其衰变产生的半衰期较长的感生放射性核素。8.近几万年；有机解析思路：碳-14的半衰期约为5730年，适用于测定年龄在几万年以内的有机物。9.质量防护（屏蔽防护）解析思路：三种基本防护方式是时间、距离、屏蔽，屏蔽是利用材料吸收辐射。10.放射性核素分布（或示踪剂分布）解析思路：利用核方法（如中子或伽马射线）作为示踪剂，探测其在地质介质中的分布异常来推断地质结构或性质。三、简答题1.解析思路：伽马能谱测量原理是利用伽马射线与探测器相互作用（如光电效应、康普顿效应）产生可测信号（如光电子、电离），探测器将信号转换为电脉冲，脉冲高度与入射伽马射线能量相关，通过脉冲高度分析得到能谱。地质应用中，通过分析能谱中的特征峰位置识别样品中存在的天然或人为放射性核素（如U,Th,K），通过峰面积定量或半定量分析其含量，进而进行资源勘查、环境监测、年代测定等。2.解析思路：NAA优势在于：①可同时测定多种元素，无需复杂分离；②样品破坏性小（特别是无载流剂方法）；③探测限低，可测痕量元素；④不受元素物理化学形态影响；⑤方法相对灵活，可根据需求选择不同核反应和分析线。这些特点使其在复杂地质样品元素分析中优于许多湿化学方法。3.解析思路：衰变链是一系列放射性核素连续衰变，直至达到稳定核素的过程。例如，铀系衰变链（²³⁸U系）从²³⁸U开始，经过一系列α和β衰变，最终到达稳定核素铅-206（²⁰⁶Pb）。钍系衰变链（²³⁴Th系）类似。这些衰变链中存在半衰期适中的核素（如铀系中的镭-226，半衰期1600年；钍系中的镭-223，半衰期11.4天），其衰变产物（如氡-222，半衰期3.8天）或其自身可被用于环境监测（如测量氡浓度评估辐射风险）、年代测定（如利用镭-226/氡-223体系测海水年龄或水文年龄）或地质年代测定（如钾-40/氩-40法测岩浆岩年龄）。四、计算题1.解析思路：a.利用活度衰变公式A=A₀e^(-λt)。已知t=3天,T₁/₂=10天，先求λ=ln(2)/T₁/₂。A₀=1×10⁶Bq。代入计算。b.直接利用λ=ln(2)/T₁/₂计算。a.λ=ln(2)/10天≈0.0693天⁻¹A=(1×10⁶Bq)*e^(-0.0693*3)≈(1×10⁶Bq)*e^(-0.2079)≈(1×10⁶Bq)*0.814≈8.14×10⁵Bqb.λ=0.0693天⁻¹2.解析思路：样品计数率=总计数率-本底计数率。总计数率=样品计数率/探测效率。放射性核素计数率=总计数率-本底计数率。代入数值计算。总计数率=800计数/分钟/0.1