2025年大学《核物理》专业题库- 核物质在宇宙演化中的角色

2025年大学《核物理》专业题库——核物质在宇宙演化中的角色考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简要解释恒星内部质子-质子链反应和碳氮氧循环分别发生在什么类型的恒星，并说明这两种反应的主要产物。二、宇宙大爆炸核合成（BBN）主要产生了哪些元素？简述导致BBN阶段结束的主要物理因素。三、什么是超新星爆发（特别是Ia型超新星）？它在宇宙化学演化中扮演着怎样的关键角色？四、中微子为什么被认为是研究天体核物理过程的重要探针？请举例说明中微子天文学如何帮助我们理解某个特定的天体现象。五、恒星演化的不同阶段（如主序阶段、红巨星阶段、超新星爆发）对应着不同的核反应堆。请分别描述至少两个不同阶段的主要核反应过程及其对元素合成的贡献。六、简要说明“重元素丰度问题”——即地球上观测到的重元素（如金、铂）丰度远超仅通过恒星核合成（包括超新星）所能解释的丰度——可能存在的解释途径。七、核力的哪些特性使得恒星内部的核聚变反应能够持续进行？请从核力的性质和能量释放角度进行阐述。八、放射性衰变在宇宙演化中可能扮演哪些角色？请至少列举两例。九、假设观测到某区域宇宙的氦丰度（按质子数计算）为24%，请利用简化的BBN理论估算该区域宇宙的年龄（提示：需要用到T(m)关系和氦丰度表达式，并假设开始时有n_H≈n_p）。十、比较中子星与黑洞作为恒星演化终点的异同，并简要说明这两种天体在核物理相关的宇宙现象（如重元素合成）中的作用差异。试卷答案一、质子-质子链反应主要发生在主序星内部温度和密度相对较低的恒星（如太阳质量以下的恒星）；碳氮氧循环主要发生在主序星晚期、红巨星等内部温度和密度极高的恒星。质子-质子链反应的主要产物是氦（最终形成4个质子）和正电子、中微子；碳氮氧循环的主要产物也是氦（最终形成4个质子）和γ射线光子、中微子。二、宇宙大爆炸核合成（BBN）主要产生了氢（约75%按质子数计算）、氦-4（约25%按质子数计算）、少量氘（氢的同位素）、氚（氢的同位素）和锂-7。导致BBN阶段结束的主要物理因素是宇宙温度下降到氘核形成所需的结合能以下，同时中微子decoupling使得中微子不再与光子等粒子剧烈相互作用，导致宇宙快速膨胀，抑制了进一步的核反应。三、超新星爆发是指大质量恒星在其生命末期发生剧烈的爆炸现象（特别是Ia型超新星是由白矮星在吸积伴星物质达到钱德拉塞卡极限后发生的爆炸）。它在宇宙化学演化中扮演着关键角色，因为超新星爆发（特别是核心坍缩型超新星和Ia型超新星）能够将恒星内部合成的重元素通过爆炸动能抛洒到星际介质中，是宇宙中重元素（比铁更重的元素）得以传播和扩散到新恒星和行星系统中最主要的机制。四、中微子穿透能力强，几乎不与普通物质发生相互作用，因此能够携带来自天体内部（如核反应场所）的高能信息而几乎不受阻碍地到达地球，这使得它们成为研究天体核物理过程（如恒星内部核聚变、超新星爆发、中子星合并等）的独特探针。例如，通过探测1987A超新星爆发发射的中微子，科学家精确确认了超新星爆发的核物理机制（主要是r-process重元素合成）和爆发时间，这是其他观测手段难以实现的。五、*主序阶段：恒星核心主要进行质子-质子链反应或碳氮氧循环，将氢聚变成氦，这是恒星主要的能量来源。质子-质子链反应（低质量恒星）将4个质子聚变成一个氦-4核，释放能量；CNO循环（高质量恒星）则利用碳、氮、氧作为催化剂，将氢聚变成氦，反应速率更高。*红巨星阶段：恒星外层膨胀冷却，核心则收缩升温。核心氢耗尽后，核心开始进行氦燃烧（主要是氦聚变成碳和氧的triple-alphaprocess），同时外层物质膨胀形成红巨星。氦燃烧阶段合成了比氦更重的元素碳和氧。*超新星爆发（核心坍缩型）：在非常致密的核心中，当碳氧核心坍缩时，会触发一系列快速的中子俘获过程（r-process），合成大量比铁更重的元素（如金、铂、铀等）。同时，爆炸本身也将这些重元素以及之前各阶段合成的元素抛洒到宇宙空间。六、除了恒星核合成（包括超新星）之外，重元素丰度问题的一个可能解释途径是“快速中性流”（FastNeutronCapture,r-process）在极端天体事件（如中子星合并）中发生。中子星合并被认为是产生宇宙中大部分重元素（特别是丰度最高的锕系元素）的最主要场所。在极端密度的环境中，物质被极其丰富的中子流淹没，核子（质子和中子）捕获中子的速度远超其衰变速度，从而实现r-process重元素的合成。七、核力的哪些特性使得恒星内部的核聚变反应能够持续进行？1.短程吸引力：核力在极短的距离内（约1-2费米）表现为强大的吸引力，足以克服质子间的静电排斥力（库仑力），使得轻核能够结合成更重的核。这是核聚变发生的根本前提。2.能量释放：核聚变过程（如质子聚变、氦聚变）会使得产物核的质量数相对于反应物核的质量数有所减少（质量亏损），根据爱因斯坦质能方程E=mc²，这部分质量亏损转化为了巨大的能量释放。正是这种持续的能量释放，提供了恒星发光发热的动力，维持了恒星的稳定。3.反应产物稳定性：中等质量的原子核（如铁元素附近）具有较高的结合能，相对稳定。恒星内部的核反应逐步构建这些稳定核，并在此过程中释放能量。反应可以向铁元素方向进行，直到能量不再释放甚至需要吸收能量。八、放射性衰变在宇宙演化中可能扮演的角色：1.早期宇宙的“冷却剂”：在宇宙早期（特别是BBN阶段之后、光子退耦之前），宇宙中存在大量的放射性核素（如氚、锂-7、铍-7、硼-10）。这些核素通过放射性衰变（主要是β衰变）释放能量，并将高能光子转化为低能光子，有效地减缓了宇宙的膨胀速率，帮助宇宙“冷却”下来，为后续大尺度结构的形成创造了条件。2.恒星内部元素合成（s-process）：慢速中子俘获过程（s-process）是合成比铁重元素的重要途径之一。在红巨星和超巨星内部，中子通过核反应逐渐进入稳定的原子核。这些原子核通过放射性β衰变，逐级转变为更重的稳定核素，从而合成锕系元素等。九、利用简化的BBN理论估算宇宙年龄：1.关键关系式：T(m)≈T₀*(m/m₀)³/²，其中T₀是当前宇宙温度（约3K），m₀是当前宇宙中质子数密度，m是早期对应时刻的质子数密度；以及氦丰度YHe=n_He/(n_p+n_n)≈n_He/n_H=n_He/n_p。2.设早期时刻氦核数密度为n_He,初期质子数密度为n_p0，当前质子数密度为n_p0=n_H。设早期质子数密度为n_p。3.从n_He/n_p=YHe≈0.25，得n_p≈4*n_He。4.代入T(m)关系：T/T₀≈(n_p/n_p0)³/²=(4*n_He/n_p0)³/²=(4*YHe)³/²=(4*0.25)³/²=1。5.因此，T≈T₀，即早期温度与当前温度相同。6.从T(m)关系可知，温度T与宇宙年龄t成反比（在不考虑辐射压的情况下，能量密度主导）。若早期温度T≈T₀，则早期年龄t_early≈t_0/T≈t_0。这意味着氦合成的主要时期发生在光子退耦（约38万年）之前，此时宇宙年龄远小于当前年龄t₀（约138亿年）。此估算非常粗略，未考虑中微子质量、重子数密度演化等因素，但能给出定性认识。十、比较中子星与黑洞作为恒星演化终点的异同，并简要说明其在核物理相关宇宙现象中的作用差异：*相同点：都是大质量恒星演化到末期的最终产物，质量都远大于太阳，都起源于相同的初始恒星物质。*不同点：*物理性质：中子星是具有极高密度（由强核力支撑）、自转速度极快、表面存在强磁场的中子致密星；黑洞是引力坍缩形成的、密度无限大（奇点）、视界之外无法观测的天体。*最终命运：中子星如果质量继续增加（通过吸积或合并），可能进一步坍缩成为黑洞；黑洞一旦形成，除非通过霍金辐射等方式缓慢蒸发，否则将一直存在。*与核物理相关现象的作用差异：*中子星：是r-process重元素合成的主要场所（特别是双中子星合并事件），通过快速中子俘获过程合成大量黄金、铂族金属等重元素。同时，其强磁场和快速自转可以产生强大的星风，将部分合成重元素抛入宇宙。中子星表面的极端条件也使得其成为研究极端状态核物态（