自考本科核科学与技术2025年核物理试卷（含答案）

自考本科核科学与技术2025年核物理试卷（含答案）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.下列哪种粒子不是原子核的组成部分？(A)质子(B)中子(C)电子(D)光子2.某放射性核素经过4个半衰期，其剩余质量占原总质量的百分比约为：(A)12.5%(B)25%(C)50%(D)75%3.α衰变过程中，原子核放出一个α粒子，以下叙述正确的是：(A)原子核的质量数增加4，原子序数增加2(B)原子核的质量数减少4，原子序数减少2(C)原子核的质量数增加2，原子序数增加4(D)原子核的质量数减少2，原子序数减少44.β衰变过程中，原子核放出一个β粒子，以下叙述正确的是：(A)原子核的质量数增加1，原子序数不变(B)原子核的质量数不变，原子序数增加1(C)原子核的质量数减少1，原子序数不变(D)原子核的质量数不变，原子序数减少15.在核反应方程¹²C+α→¹⁵N+x中，x代表的是：(A)质子(¹H)(B)中子(¹n)(C)α粒子(⁴He)(D)β粒子(⁰e⁻)6.核反应过程中，守恒的物理量不包括：(A)电荷数(B)质量数(C)动量(D)能量7.根据核壳层模型，原子核的稳定性与以下哪个因素关系最密切？(A)原子核的形状(B)原子核的质子数和中子数(C)原子核的半径(D)原子核的密度8.以下哪种物理量不是描述原子核自旋的量子力学量？(A)自旋角动量(B)自旋量子数(C)原子序数(D)磁矩9.放射性测量的基本单位贝克勒尔（Bq）表示的是：(A)活度(B)照射量(C)剂量当量(D)吸收剂量10.外照射辐射防护的主要措施是：(A)使用屏蔽材料(B)保持距离(C)使用个人剂量计(D)注射放射性药物二、填空题（每小题2分，共20分。请将答案填写在题中的横线上。）1.原子核的半径大约与质量数A的______次方根成正比，即R≈r0A^(1/3)，其中r0约为______埃。2.放射性衰变过程中，原子核从较高能量状态跃迁到较低能量状态时，通常伴随着发射______或______。3.核反应Q值表示的是核反应前后______的差值。当Q>0时，反应______热量；当Q<0时，反应______热量。4.核壳层模型认为，原子核中的质子和中子像电子一样，是按______填充的。充满一层后，核的______性会显著增强。5.放射性活度是指放射性核素在单位时间内的______。其国际单位制单位是______，常用单位是______。6.辐射防护中，通常将辐射源发出的辐射对周围环境中的空气电离能力定义为______。7.1戈瑞（Gy）等于______拉德（rad）。8.在卢瑟福α粒子散射实验中，少数α粒子发生大角度散射，说明了原子具有______。9.原子核的______是指原子核所具有的静质量与结合能之差，也称为核质量亏损。10.¹²C的原子质量为12.000000u，而¹⁵N的原子质量为14.003074u，中子的原子质量为1.008665u。根据这些数据，可以估算出¹²C+α→¹⁵N+n反应的Q值（以MeV为单位，保留两位小数）。三、计算题（每小题10分，共30分。请写出详细的计算步骤。）1.已知某放射性核素的半衰期为5天。现有一该核素的样品，质量为100克。求：(1)10天后，样品剩余多少克？(2)样品质量减少到25克需要多少天？2.一个能量为5MeV的α粒子与静止的原子核发生弹性正碰，碰撞后α粒子的速度变为零。求：(1)被碰原子核的质量（以原子质量单位u为单位）。(2)被碰原子核获得的动能（以MeV为单位）。3.一个放射源在t=0时刻的活度为1000Ci。假设该放射源的衰变符合指数规律，其衰减常数λ=0.693/小时。求：(1)3小时后，放射源的活度是多少Curie？(2)放射源的活度衰减到100Ci需要多少时间？四、简答题（每小题10分，共30分。请简要回答下列问题。）1.简述α衰变、β⁻衰变和γ衰变的主要区别。2.解释什么是核反应截面？它有什么物理意义？3.简述辐射防护中“时间防护”、“距离防护”和“屏蔽防护”的原理。五、论述题（15分。请就以下问题展开论述。）结合核壳层模型，解释为什么某些质量的原子核（如镁-24、钙-40）比周围质量的原子核更稳定？试卷答案一、选择题1.C2.D3.B4.B5.B6.B7.B8.C9.A10.B二、填空题1.1/3，1.2×10⁻¹⁵2.光子，γ射线3.总能量，释放，吸收4.能级，稳定5.衰变次数，贝克勒尔(Bq)，居里(Ci)6.照射量7.1008.核式结构9.结合能10.-8.5三、计算题1.(1)解：设半衰期为T1/2=5天，初始质量M0=100克，时间t=10天。剩余质量M=M0*(1/2)^(t/T1/2)M=100*(1/2)^(10/5)=100*(1/2)^2=100*0.25=25克答：10天后，样品剩余25克。(2)解：设时间t'后，质量减少到初始质量的一半，即M=M0/2=50克。t'/T1/2=log2(M/M0)/log2(1/2)=log2(50/100)/log2(1/2)=log2(0.5)/log2(0.5)=1t'=T1/2=5天答：样品质量减少到25克需要5天。2.(1)解：设α粒子质量为mα，被碰原子核质量为m，碰撞前α粒子速度为vα，被碰原子核速度为0。碰撞后α粒子速度为0，被碰原子核速度为v。根据动量守恒：mα*vα=m*v根据动能守恒：(1/2)*mα*vα²=(1/2)*m*v²联立两式：(mα*vα)²=(m*v)²=m²*v²(1/2)*mα*vα²=(1/2)*m*v²得：mα²*vα²=m²*v²mα*vα²=m*v²解得：m/mα=vα/v=vα²/vα²=1答：被碰原子核的质量等于α粒子的质量。由于α粒子质量为4u，则被碰原子核质量为4u。(2)解：被碰原子核获得的动能EK=(1/2)*m*v²从动量守恒mα*vα=m*v，得v=(mα/m)*vα=(4/4)*vα=vαEK=(1/2)*m*vα²=(1/2)*4u*vα²=2*(1/2)*mα*vα²=2*5MeV=10MeV答：被碰原子核获得的动能为10MeV。3.(1)解：设初始活度R0=1000Ci，衰减常数λ=0.693/小时，时间t=3小时。活度R=R0*e^(-λt)R=1000*e^(-0.693*3/0.693)=1000*e^(-3)≈1000*0.0498=49.8Ci答：3小时后，放射源的活度约为49.8Ci。(2)解：设最终活度R=100Ci，初始活度R0=1000Ci。100/1000=e^(-λt)0.1=e^(-0.693*t/0.693)ln(0.1)=-λtt=-ln(0.1)/λ=-ln(0.1)/(0.693/小时)≈-(-2.302)/0.693≈3.32小时答：放射源的活度衰减到100Ci需要约3.32小时。四、简答题1.答：α衰变是原子核放出一个α粒子（氦核，⁴He）的过程，导致原子核的质量数减少4，原子序数减少2。β⁻衰变是原子核中的一个中子转变为一个质子，同时放出一个电子（β⁻粒子）和一个反电子中微子的过程，导致原子核的质量数不变，原子序数增加1。γ衰变是处于激发态的原子核向低能态跃迁时，发射一个γ光子（高能光子）的过程，导致原子核的质量数和原子序数均不变，但能量降低。α衰变主要发生在重核，β⁻衰变主要发生在质子数过多的中等质量核，γ衰变通常伴随α或β衰变发生。2.答：核反应截面是一个用于描述原子核参与核反应概率的量，它表示一个入射粒子与靶核发生核反应的可能性大小。其物理意义在于：截面越大，表示靶核越容易发生核反应；截面越小，表示靶核越不容易发生核反应。截面的单位通常是靶恩（b），1b=10⁻²⁸m²。3.答：辐射防护的目的是将工作人员接受的辐射剂量限制在允许水平以下，保护公众健康。时间防护的原理是减少受辐射照射的时间，因为辐射剂量与照射时间成正比。距离防护的原理是利用辐射强度随距离的平方反比衰减的规律，增大与辐射源的距离，从而降低受到的辐射强度。屏蔽防护的原理是利用某些材料（如铅、混凝土、水等）对辐射的吸收能力，在人与辐射源之间设置屏蔽体，减少到达人体的辐射剂量。五、论述题答：核壳层模型认为，原子核中的质子和中子像原子中的电子一样，是分层填充的，它们占据着不同的能量“壳层”。当质子数或中子数为某些特定数值（称为“幻数”，如2,8,20,28,50,82,126）时，这些壳层被完全填满，原子核将具有特别高的稳定性。这是因为完全填满的壳层具有最大的对角线凝聚和集体能量，使得原子核的“惰性”增强，更难以发生衰变。镁-24(¹²Mg)有12个质子和12个中子，其中子数12和质子数12都不是幻数，但它具有14个中子，接近幻数16，同时质子数12使得质子壳层也