2025年大学《核物理》专业题库—— 核裂变反应过程的机理解析.docxVIP

2025年大学《核物理》专业题库——核裂变反应过程的机理解析

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简要阐述中子诱导核裂变的条件，并说明与α衰变或β衰变相比，核裂变过程在释放能量上有何显著不同。

二、

描述重核在经历中子俘获形成复合核后，可能发生裂变的微观过程。请说明复合核如何克服库仑势垒，并简述导致其最终分裂成两个裂变碎片的典型路径。

三、

在一次典型的铀-235核的裂变事件中，假设释放的总能量为200MeV。若其中95MeV转化为两个裂变碎片的动能，5MeV以γ射线形式辐射，剩余能量分配给裂变中子和裂变碎片结合能的减少。试计算平均每个裂变碎片获得的结合能减少了多少兆电子伏特？（提示：考虑裂变碎片的平均质量数）

四、

解释什么是“裂变碎片分布”。为什么重核裂变产生的两个裂变碎片的质量数和原子序数并非是任意的，而是呈现出一定的统计规律性？简述影响这种分布的主要物理因素。

五、

什么是裂变中子产额？在一个理想化的无限大的均匀裂变体系中，若每个裂变事件平均释放3个裂变中子，且所有中子都能被靶核吸收并引发新的裂变，问该体系的链式反应是否能够自持？请说明理由。

六、

简述液体滴模型（LDM）如何解释重核的形变能曲线，并说明其如何预言了核裂变现象的存在。指出该模型在描述裂变碎片性质等方面存在哪些主要局限性。

七、

对于热中子（能量约0.025eV）和快中子（例如1MeV），为何铀-235的裂变截面差异如此之大？这一特性在核反应堆设计中具有什么重要意义？

八、

什么是初始裂变中子的能谱？它主要取决于哪些因素？简述为什么在核反应堆中，通常需要使用慢化剂来降低裂变中子的能量，使其更适合引发后续的链式反应。

试卷答案

一、

核裂变需要特定重核（如铀-235、钚-239）吸收慢中子（热中子）才能发生。与α衰变（释放氦核，能量相对较小）和β衰变（释放电子或正电子，能量取决于能级差）相比，核裂变是重核分裂成两个中等质量的轻核，同时释放出大量能量（通常是MeV量级），源于核子结合能的巨大增加。

二、

复合核形成后，在短时间内（约10^-21秒）可发生直接衰变（如α衰变）或发射伽马射线回到基态。若复合核处于激发态，其形变会迅速增长，当形变超过某个临界值时，库仑斥力克服核力，导致核发生形变破裂。典型的分裂路径是核首先变成“香蕉”形长椭球，然后进一步拉长变成两个大致球形的中等质量核，最终分离。这个过程需要克服约8-10MeV的裂变势垒。

三、

总能量E_total=200MeV。

裂变碎片动能E_f碎片=95MeV。

γ射线能量E_γ=5MeV。

剩余能量用于中子动能(E_n)和结合能减少(ΔE_bind)。

E_n+ΔE_bind=E_total-E_f碎片-E_γ=200MeV-95MeV-5MeV=100MeV。

设铀-235裂变产生两个近似为锕系和锝系元素（质量数分别约为A1和A2，A1+A2≈235）。

平均每个碎片的结合能减少约为ΔE_bind/2。

ΔE_bind≈2*(平均每个碎片的结合能减少)。

100MeV≈2*(平均每个碎片的结合能减少)。

平均每个碎片的结合能减少≈50MeV。

四、

裂变碎片分布是指重核裂变时产生的两个（或更多）裂变碎片的质子数（原子序数Z）和质量数（A）的统计分布情况。裂变并非分裂成任意两个碎片，而是倾向于分裂成两个质量数相近（遵循“碎片质量数守恒”A1+A2≈A_parent-1或A_parent+1，且A1≈A2≈A_parent/2）且原子序数相差较大的中等质量核。这是由核的壳层结构、库仑能、表面能、形变能等多种因素共同决定的：壳层闭合（如双魔核）区域相对稳定，倾向于形成碎片；库仑斥力随质子数增加而增大，限制了碎片的最大原子序数；形变能曲线决定了最易发生的裂变路径。

五、

裂变中子产额是指平均每次核裂变释放的中子数。在理想无限均匀体系中，每个裂变中子若都能有效引起下一次裂变，则每个裂变事件总共会产生(1+1+1+...)=∞个裂变。这显然不可能。但更准确的理解是，该体系的链式反应增殖因子（k_eff）等于每个裂变产生的中子数。题目中每个裂变产生3个中子，k_eff=31，说明链式反应能够自持并可能增长。自持条件是k_eff=1。

六、

液体滴模型（LDM）将原子核视为由核子组成的、具有表面张力的液滴。其形变能曲线包含体积能（随半径增大而减少）、表面能（随表面积增大而增加）、库仑能（随质子数增加和半径增大而增加）和对称能（倾向于球形）。当形变能曲线在某个形变度（对应于核长轴约等于