2025年大学《核物理》专业题库- 重离子束在核物理实验中的应用

2025年大学《核物理》专业题库——重离子束在核物理实验中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填在题后的括号内。每小题2分，共20分）1.与质子束相比，重离子束在引发核反应时，其主要优势在于（）。A.束流强度更大B.能量传递更易达到最大值C.对原子核的穿透能力更强D.更容易引发弹性散射2.在利用重离子束合成超重元素的反应中，通常选用入射重离子的质量数A和靶核质量数Z满足的关系是（）。A.A+Z较小B.A+Z较大，且Z₁+Z₂接近封闭壳层数值C.A+Z较小，且Z₁+Z₂远离封闭壳层数值D.A和Z均需非常小3.重离子深度非弹性散射实验中，出射粒子（如α粒子或质子）的能量谱通常呈现为（）。A.单一峰B.双峰结构C.单一连续谱D.宽广的连续谱4.导致重离子束在穿过物质时发生自吸收效应的主要原因是（）。A.束流强度过大B.束流能量损失过快C.核反应截面随入射粒子数增加而增大D.束流发散角过大5.下列哪一项不是重离子束诱导产生中子束的典型反应机制？（）A.熔合反应B.裂变反应C.深度非弹性散射D.轻核的（p,n）反应二、填空题（请将答案填在横线上。每空2分，共20分）6.重离子束的能量通常由__________或__________加速器提供。7.重离子束与原子核发生熔合反应时，入射离子通常需要克服__________势垒。8.在核反应Q=(m₁+m₂-m₃-m₄)c²中，若Q>0，该反应为__________反应；若Q<0，则为__________反应。9.重离子深度非弹性散射主要提供关于原子核__________和__________的信息。10.利用重离子束研究原子核结构的另一种重要方法是__________反应。三、简答题（请简要回答下列问题。每小题5分，共20分）11.简述重离子熔合反应合成超重元素的原理及其面临的主要挑战。12.与质子束或α粒子束相比，重离子束在研究“重”核结构方面具有哪些独特的优势？13.在设计一个利用重离子束进行核反应实验时，需要考虑哪些主要的实验参数？14.什么是重离子束的自吸收效应？它对核反应实验有何影响？四、计算题（请列出必要的公式和计算步骤。每小题7分，共14分）15.假设在一项实验中，使用质量数为40的钙离子（Ca-40）轰击质量数为238的铀靶（U-238），测量到熔合裂变产物的总动量为1.2×10⁷eV/c。已知钙离子的入射能量为200MeV/nucleon，铀靶为静止。请估算该熔合裂变反应的Q值（单位：MeV）。钙-40和铀-238的原子质量分别为40.08和238.03u。16.在一个重离子深度非弹性散射实验中，入射的是能量为200MeV/nucleon的氖-22（Ne-22）离子，散射出能量为5MeV/nucleon的α粒子。假设散射角为90°，忽略库仑散射的影响。请利用光学模型的基本思想，定性解释为什么α粒子会从入射束流中“损失”出来，并简述此过程可能对应的核反应机制（如直接反应、复合核反应等）。五、论述题（请结合所学知识，进行较为全面的论述。每小题8分，共16分）17.论述重离子束在研究奇特核（例如手征核、超形变核）方面的应用潜力。18.比较并说明不同能量区段（如MeV/nucleon量级、GeV/nucleon量级）的重离子束在核物理研究中的主要特点和不同的应用方向。试卷答案一、选择题1.B2.B3.D4.C5.D二、填空题6.线性加速器，串列加速器7.势垒8.吸收，发射9.内部结构，转动性质10.裂变三、简答题11.原理：高能重离子与靶核发生熔合反应，形成复合核，随后复合核快速蒸发掉部分核子，形成超重核。挑战：入射离子需克服高的库仑势垒，复合核寿命极短且易发生裂变，产物识别困难，实验条件苛刻。12.优势：高线性能量传递，易形成复合核，有利于研究重核内部结构和集体运动；反应道数多，可提供多种信息；易引发熔合裂变，研究重核稳定性。13.实验参数：入射重离子种类、能量、束流强度、束流质量流密度、靶核种类、厚度、冷却方式、探测器类型、实验几何构型、核数据准确性等。14.自吸收效应：当重离子束强度足够大时，束流中发生的核反应产物（如α粒子、裂变碎片）本身也会发生核反应，导致后续反应概率降低，相当于束流本身被吸收。影响：限制了可用的束流强度，降低了反应道的总截面，影响实验的灵敏度和数据解释。四、计算题15.解：反应方程为¹⁴⁰Ca+²³⁸U→复合核→熔合裂变产物+中子根据能量守恒，反应Q值可表示为：Q=(m₁+m₂-m_f-m_n)c²=E_k(碎片)+E_k(中子)+T_n其中E_k(碎片)是熔合裂变产物的动能，T_n是中子的动能。由动量守恒，入射钙离子的动量p₁=p_f+p_n。入射钙离子的动能E_k(钙)=p₁²/(2m₁c²)。熔合裂变产物的动量p_f=p₁-p_n。E_k(碎片)=p_f²/(2m_f)c²。代入数据，m₁=40.08u,m_f≈238.03u-2*1.008u(假设主要产物为U-236)=236.024u,m_n=1.008u。p_f*10⁷eV/c=1.2×10⁷eV/c。p_f=1.2×10⁷/10⁷=1.2(单位为eV/c)。E_k(碎片)=(1.2)²/(2*236.024)MeV≈0.0031MeV。E_k(钙)=(1.2)²/(2*40.08)MeV≈0.018MeV。T_n=E_k(钙)-E_k(碎片)≈0.018MeV-0.0031MeV=0.0149MeV。Q≈E_k(碎片)+T_n≈0.0031MeV+0.0149MeV=0.018MeV。*注：此计算基于简化模型和假设，实际Q值需更精确计算。*16.解：入射Ne-22离子能量高（200MeV/nucleon），与靶核U-238散射时，不仅发生弹性散射，更可能发生深度非弹性散射。在深度非弹性散射中，入射重离子强烈激发靶核，使其进入高激发态，随后可能发生衰变。α粒子作为核内或核表面发射的粒子，可能来自于复合核的裂变（如Ne+U→复合核→U*→U+α），或者是直接反应中核碎片的一部分。在90°散射角下，根据Coulomb散射理论，此角度对应的核作用半径较大，更易发生非弹性散射和复杂的核反应过程，导致α粒子可以从原始的入射束流方向被“打飞”出来。定性解释：高能入射重离子与靶核发生深度非弹性散射，激发复合核，α粒子作为产物之一被发射出来，改变了其初始运动方向。五、论述题17.潜力：奇特核具有非标准的形变、自旋、宇称或对宇称等性质，难以用标准模型描述。重离子束具有高线性能量传递和形成复合核的能力，能有效地激发和探测这些非标准性质。利用重离子束诱导的熔合蒸发、深度非弹性散射或碎裂反应，可以产生或研究处于高激发态的奇特核，通过测量出射粒子的能谱、角分布、碎裂模式等，提取关于奇特核结构、动力学和衰变性质的信息。例如，通过精确测量碎片角分布可以研究奇特核的形状和转动惯量；通过测量特定粒子（如中子）的多度可以研究核的对称性等。18.低能区（MeV/nucleon）：主要特点是对原子核表面结构和集体运动敏感，截面相对较大。应用：研究核的形状、转动、形状异变、低激发态性质、核天体物理（如行星形成中的核合成）、中子产生等。中高能区（GeV/nucleon）：主要特点是有很强的穿