2025年大学《核物理》专业题库—— 核技术在自然灾害监测中的应用.docxVIP

2025年大学《核物理》专业题库——核技术在自然灾害监测中的应用

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述原子核的组成及其主要性质。说明放射性衰变的基本类型及其遵循的基本规律。

二、

比较盖革-米勒计数器和闪烁计数器的工作原理、主要性能特点及其在核辐射测量中的不同应用场景。

三、

阐述利用伽马能谱分析技术监测地壳放射性元素分布变化以进行地震预测的原理。分析该方法面临的主要挑战和局限性。

四、

描述中子探测技术在火山监测中可能的应用方式及其物理基础。解释为何中子探测对于监测地下岩浆活动具有特殊意义。

五、

在核事故应急监测中，选择合适的辐射探测仪器和监测策略至关重要。请论述在事故初期，如何利用不同类型的探测器（如便携式伽马能谱仪、盖革计数器等）进行快速定位和初步评估，并简述现场辐射剂量估算的基本方法。

六、

说明放射性示踪技术（如释放碘-131）在追踪核事故污染扩散路径中的应用原理。讨论影响示踪效果的关键因素。

七、

设计一个利用核技术监测特定区域火山活动风险的简化方案。说明需要采用哪些类型的核探测设备、观测什么物理量以及如何利用这些数据评估潜在风险。

八、

结合当前科技发展趋势，论述核技术在应对未来可能发生的极端自然灾害（如超大型地震、大规模火山喷发、严重核事故等）中可以扮演的角色，并展望其发展方向。

试卷答案

一、

原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，两者被核力紧密束缚在一起。原子核的主要性质包括：具有几乎所有的原子质量；占据原子体积的极小部分；具有复杂的能级结构；可以通过放射性衰变或核反应发生变化。

放射性衰变是指不稳定的原子核自发地释放出射线（α、β、γ等）而转变为另一种原子核的过程。基本类型包括：α衰变，释放氦核（2He4）；β衰变，一个中子转变为质子并释放电子（β-）和反电子中微子，或一个质子转变为中子并释放正电子（β+）和中微子；γ衰变，不稳定的激发态原子核向较低能级跃迁时释放高能光子。放射性衰变遵循指数衰变规律，即衰变速率（或放射性活度）随时间呈指数减少，其数学表达式为N(t)=N?e^(-λt)或A(t)=A?e^(-λt)，其中N(t)或A(t)是时间t时的原子核数目或活度，N?或A?是初始原子核数目或活度，λ是衰变常数。

二、

盖革-米勒计数器利用气体放电原理工作。当带电粒子（或γ光子经相互作用产生电离电子对）穿过充满惰性气体的计数管时，会引发链式放电，产生一个短暂的电流脉冲，从而计数一次。其优点是结构简单、成本较低、计数效率高；缺点是死时间效应显著、无法区分粒子种类、对辐射场强有限制。闪烁计数器利用闪烁晶体将入射粒子能量转化为可见光（或紫外光），然后通过光电倍增管将光信号放大并转换为电信号进行计数。其优点是能量分辨率高（可区分不同能量的粒子）、响应速度快、死时间小、可测量粒子种类和能量；缺点是成本较高、对环境辐射较敏感、需要制冷（对于某些闪烁体）。

三、

利用伽马能谱分析技术监测地壳放射性元素分布变化进行地震预测的原理是：地壳中某些放射性元素（如K-40,U,Th）及其衰变产物在地质活动（如应力变化、断层运动）影响下，其分布和浓度可能发生改变，进而导致地壳背景辐射场发生变化。通过在固定地点长期、连续地监测伽马能谱，特别是特定核素的特征能峰强度变化，可以尝试推断地壳内部应力状态和构造活动信息。主要挑战包括：地壳背景辐射本身具有复杂性和不稳定性（受气象、地下水活动等影响）；信号变化幅度可能非常微小，难以与背景噪声区分；从微弱的辐射信号变化中精确提取有效的地震前兆信息极其困难；缺乏被广泛接受的、可靠的成功预测实例，其科学依据和实用性仍在激烈争议中。

四、

中子探测技术在火山监测中可能的应用包括：探测火山喷发前地下岩浆房中氡气（Rn-222）等放射性气体的逸出，因为岩浆活动会释放富含放射性核素的物质，导致地下氡浓度升高，可通过地面或钻孔中子探测器监测到；利用中子能谱法探测地下水中氢的同位素（氘、氚）含量变化，这些同位素可能随地下热液活动迁移，间接反映岩浆活动强度；在火山喷发时，监测火山灰和气溶胶中的中子俘获截面大的核素（如铀、钍），以辅助识别物质成分和扩散路径。中子探测对于监测地下岩浆活动具有特殊意义，因为中子能够穿透较厚的岩石，直接或间接地探测到深部（数十至上百公里）的物理和化学变化，而常规地震、地热、形变等方法主要反映浅部信息。

五、

在核事故应急监测中，选择探测仪器和策略需快速、高效、安全。初期快速定位和评估可按以下步骤进行：首先，使用灵敏度较高、响应较快的便携式盖革计数器或闪烁剂量率仪进行区域扫描，快速确定辐射水平相对较高的区域或“热点”；然后，在热点区域使用能谱仪（如基于锗或高纯锗的伽马能谱仪）进行