Inhaltsverzeichnis
Kapitel 1 - Atome
Atome
Quarks
Isotope
Kapitel 2 - Radioaktivit"t
Strahlungsarten
Der radioaktive Zerfall am Beispiel des Urans
Ionen
Kapitel 3 - Kernspaltung
Entdeckung
Die Kernspaltung am Beispiel des Uran
Kettenreaktion
Anreicherung
Kapitel 4 - Kernfusion
Kernfusion
Kapitel 5 - Kernwaffen
Atombombe
Wasserstoffbombe
Cobaltbombe
Neutronenbombe
Anlagen
Abb. 1 - Das Atommodell
Abb. 2 - Uran ( U-238 )
Abb. 3 - Strahlung
Abb. 4 - Abschirmung
Abb. 5 - Zerfall von Uran
Abb. 6 - Halbwertszeit
Abb. 7 - Kernspaltung
Abb. 8 - Kettenreaktion
Abb. 9 - Kernfusion
Abb. 10 - Schema einer A-bombe
Abb. 11 - Zerst"rungskraft eine A-Bombe
Quellen
Kapitel 1 - Atome
Atome Abb. 1
aus dem gr. von atomos - unteilbar; unteilbarer Urstoff.
Der Philosoph Demokrit nahm schon vor 2000 Jahren an, daá alle Materie aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen bestehe. 1803 wurde diese Atomtheorie vom Engl"nder John Dalton erweitert. Er entdeckte, daá es Stoffe gibt, die nur aus einer Atomsorte bestehen. Man nennt sie chem. Elemente ( z.B. Gold, Sauerstoff und Eisen ). Die Atome haben unterschiedliche Massen.
Heute findet man h"ufig folgende Definition des Atombegriffs:
' Ein Atom ist der kleinste Baustein eines chem. Grundstoffes oder
Elements, der ohne Verlust der typischen Eigenschaften dieses Elements
nicht mehr geteilt werden kann. '
Um ein Beispiel zu nennen wie groá Atome sind:
a) Alle 5 Milliarden Menschen die z.Zt. auf der Erde leben, w rden, wenn ein Mensch so groá wie ein Atom w"re, eine etwa 50 cm lange Kette bilden.
oder
b) Wenn der Atomkern die Gr"áe einer Kirsche h"tte, dann w"re ein ganzes Atom so groá wie der K"lner Dom.
1913 entwickelte der d"nische Physiker Nils Bohr ein neues Atommodell, das auch heute noch der Wirklichkeit sehr nahe kommt. Danach ist ein Atom "hnlich aufgebaut wie ein Sonnensystem, d.h. um den massereichen Atomkern kreisen in groáem Abstand die Elektronen.
Das heutige Atombild:
Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomh lle. Dabei ist der Kern positv und die H lle negativ geladen. Dabei tr"gt der Atomkern fast die gesamte Masse des Atoms. Er ist aufgebaut aus Protonen und Neutronen, die jeweils fast 2000 mal schwerer sind als die Elektronen, aus der die Atomh lle besteht.
Das Proton hat die positive elektrische Ladung, die den gleichen Wert besitzt wie die negative des Elektrons. Das Neutron jedoch ist elektrisch neutral.
Den Wert der elektrischen Ladung des Protons oder Elektrons nennt man Elementarladung.
Protonen und Neutronen werden oft zusammenfassend als Nukleonen bezeichnet und bestehen ihrerseits aus noch kleineren Teilchen, den Quarks.
Quarks
Lange Zeit glaubte man, daá die Nukleonen 'Elementarteilchen', "hnlich wie das Elektronen nicht mehr teilbar seien und auch keine innere Struktur h"tten. Sie sind jedoch aus noch kleineren Teilchen, den sogenannten 'Quarks' aufgebaut. Sie kommen in der Natur nie als freie unabh"ngige Teilchen vor.
Heute kennt man sechs verschiedene Quarks.
Die zwei, f r die normale, stabile Materie wichtigen sind:
das u-Quark ( von eng. 'up' ) und das d-Quark ( von eng. 'down').
Drei Quarks bilden jeweils ein Nukleon.
Die jeweiligen elektrischen Ladungen:
u-Quark = + 2/3
d-Quark = - 1/3
Elektron = - 1
Aufbau der Nukleonen:
Protonen = 2 u-Quarks + 1 d-Quark ( 2/3 + 2/3 - 1/3 = +1 )
Neutronen = 2 d-Quarks + 1 u-Quark ( - 1/3 - 1/3 + 2/3 = 0 )
Die Menschen, die Erde, das ganze Milchstraáensystem sind
praktisch aus
drei Grundbausteinen aufgebaut:
u-Quarks, d-Quarks und Elektronen.
Beispiel:
Ein 30-kg schweres Kind besteht aus:
2.8 * 10^28 u-Quarks, 2,6 * 10^28 d-Quarks und 10^28 Elektronen,
wobei 10^28 eine 1 mit 28 Nullen ist.
Die Quarks bilden Nukleonen, diese schlieáen sich zu Atomkernen
zusammen.
Kerne und Elektronen vereinigen sich zu Atomen, diese f gen sich
zu kleinen oder riesigen Molek len wie Wasser oder Eiweiá
zusammen. Milliarden von Molek len bilden unsere K"rperzellen, von
denen ein Mensch viele Billionen besitzt.
1.3 Isotope Abb. 2
Die Atome eines Elements haben alle die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, k"nnen sich trotzdem aber voneinander unterscheiden. Sie haben dann im Kern unterschiedliche Neutronenzahlen. Allgemein bezeichnet man Atome mit gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahl als Isotope eines bestimmten Elements.
Uran kommt in der Natur z.B. mit 234, 235 und 238 Nukleonen vor. Urankerne besitzen alle 92 Protonen. Die 3 Uranisotope haben daher 142 ( 234 - 92 ), 143 und 146 Neutronen in ihren Atomkernen. Man bezeichnet sie als U-234, U-235 und U-238.
Die Gesamtzahl der Nukleonen eines Isotops wird als Massenzahl, die Zahl der Protonen als Ordnungszahl oder Kernladungszahl bezeichnet. U-235 hat also die Massenzahl 235 und die Ordnungszahl
Gleichnamige Ladungen stoáen sich bekanntlich ab, ungleiche ziehen sich an. So halten die positiven Atomkerne die negativen Elektronen fest und zwingen sie auf ihre Kreisbahnen. Da die meisten Atomkerne aus mehreren Protonen bestehen, m áten sie daher eigentlich zerplatzen.
Wie ist es z.B. m"glich, daá beim Kohlenstoffkern 6 positive Protonen auf engstem Raum zusammenbleiben? Das liegt daran, daázwischen den Nukleonen eine noch viel gr"áere Kraft, die sog. Kernkraft wirkt, allerdings nur, wenn die Nukleonen einen sehr kleinen Abstand voneinander haben.
Kapitel 2 - Radioaktivit"t
Strahlungsarten Abb. 3
Nicht alle chem. Elemente sind stabil. Alle Elemente mit einer
h"heren Ordnungszahl als 80 und einige Isotope zerfallen, wobei
die Atomkerne einen Teil ihrer Masse in Form von Strahlung
abgeben. Man unterscheidet 3 Arten von Strahlung:
Alpha - Strahlung
Sie besteht aus Heliumkernen, die aus 2 Neutronen und 2 Protonen
bestehen. Daher ist die Strahlung positiv.
Beta - Strahlung
Sie besteht aus Elektronen und ist daher negativ. Diese Elektronen
entstehten dadurch, daá sich Neutronen umwandeln.
Gamma - Strahlung
Sie besteht aus energiereichen masselosen Strahlungsteilchen bzw.
Quanten ( Energiepakete ), wie z.B. auch beim Licht.
Entdeckt wurde die Radioaktivit"t 1896 vom franz. Physiker Henri
Becquerel und wurde vom Ehepaar Pierre und Marie Curie genauer
untersucht.
B. wollte herausfinden, ob bestimmte Steine, die vorher mit Licht
bestrahlt wurden, beim Nachleuchten auáer sichtbarem Licht auch
unsichtbare R"ntgenstrahlen aussenden. Dieses sind extremkurzwellige
und energiereiche elektromagnetische Strahlen, welche
elektrische und magnetische Energie mittels einer Welle
transportieren. Die R"ntgenstrahlen durchdringen viele Stoffe
(z.B. Haut, Muskeln, Papier, usw. ) und belichten Photoplatten.
Dabei arbeitete Becquerel mit uranhaltigem Gestein. Dieses legte
er in einer Dunkelkammer auf eine unbelichtete Photoplatte, ohne
daá er wuáte, daá das Gestein Strahlen aussendete. Nach der
Entwicklung der Photoplatte stellte er fest, daá sie durch
unbekannte Strahlung belichtet worden war. So wurde zuf"llig die
radioaktive Strahlung entdeckt.
Radioaktive Strahlung kann man heute mit dem Geigerz"hler
nachweisen.
Zur Abschirmung dieser Strahlen nimmt man Stoffe, wie BleiAbb. 4
oder Beton.
Der radioaktive Zerfall am Beispiel des Urans Abb
Uran wandelt sich in mehreren Schritten in Blei um. Dabei werden
Uranatomkerne mit je 238 Kernbausteinen ( 92 P , 146 N )
schlieálich zu Bleiatomkernen mit nur noch 206 Kernbausteinen ( 82
P, 124 N ) umgewandelt.
In diesem Umwandlungsprozess zerf"llt das Uran in Thorium,
Protactinium und Polonium und noch 10 andere Elemente. Ein Teil
der radioaktiven Strahlung besteht aus Kernbausteinen. Daher ist
die radioaktive Strahlung mit
Elementumwandlungen verbunden. Beim Zerfall eines radioaktiven
Elements entsteht ein neues Element.
Die Anzahl der Kernzerf"lle pro Sekunde heiát Aktivit"t des
K"rpers, gemessen in der Einheit ein Becquerel ( 1 Bq ). Eine
Aktivit"t betr"gt dann 1 Bq, wenn ein Kernzerfall pro Sekunde
stattfindet.
Abb. 6
Der Zeitraum, in dem ein Element zur H"lfte seiner Masse zerfallen
ist, nennt man Halbwertszeit. Bei einem St ck Uran-238 dauert die
Halbwertszeit etwa 4,5 Milliarden Jahre, bei Polonium 138 Tage und
bei Frankium 21 Minuten.
2.3 Ionen
Wenn radioaktive Strahlung z.B. auf ein Atom trifft, das nach
auáen hin elektrisch neutral ist, so kann ein Elektron aus dem
Atom herausgel"st werden. Das Atom ist dann positiv geladen. Diese
Restatome, die unterschiedlich viele positive und negative
Ladungen besitzen, nennt man Ionen. Durch radioaktive Strahlung
k"nnen also neutrale Atome zu Ionen umgewandelt werden ( ionisiert
werden ).
Kapitel 3 - Kernspaltung
3.1 Entdeckung
Im Jahr 1938 beschossen die beiden deutschen Wissenschaftler Otto
Hahn und Fritz Straámann Uranatomkerne mit Neutronen. Sie stellten
bei diesem Versuch fest, daá einige dieser Urankerne in zwei etwa
gleich groáe St cke gespalten wurden. Die Neutronen k"nnen also
gr"áere Atomkerne spalten. Protonen und Elektronen sind daf r
ungeeignet, da Protonen von den Protonen des Atomkerns abgestoáen
oder abgelenkt werden und Elektronen zu wenig Masse haben. Langsam
fliegende Neutronen dringen in der Regel viel h"ufiger in
Atomkerne ein als schnelle. Dabei bedeutet langsam immer noch
7920 Km/h. Das liegt daran, daá sich langsame Neutronen l"nger in
Kernn"he aufhalten und mehr Zeit haben, mit ihm zu reagieren.
Neutronen k"nnen nicht nur Atomkerne spalten, sondern auch
umwandeln, indem sie in den Kern eingebaut werden.
Die Kernspaltung am Beispiel des Urans Abb. 7
Das nat rliche Uran besteht aus U-234, U-235 und U-238. Von 1000
Uranatomen haben 993 U-238-Kerne und 7 U-235-Kerne. Der U-234-
Anteil ist dabei unwichtig.
Langsame Neutronen spalten nur die U-235-Kerne. Dabei ensteht
zun"chst ein Zwischenkern U-236, der jedoch instabil ist und in
mehrere Bruchst cke zerplatzt, z.B. in einen Barium-144-Kern,
einen Krypton-90-Kern und zwei neue Neutronen. Nach genauerer
Untersuchung stellte man fest, daá diese entstandenen Bruchst cke
weniger Masse haben, als der beschossene Kern und das Geschoá.
Es ist also Masse verlorengegangen, die in einen gewaltigen
Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandelt wird.
Dies geschieht nach Einsteins Formel: E = m * cý
Was ist also geschehen ?
Wie schon gesagt, wird ein Atomkern von sog. Kernkr"ften
zusammengehalten, die verhindern, daá die positive Protonen im
Kern sich abstoáen. Sie wirken allerdings nur, wenn sich die
Kernbausteine ganz nahe beieinander befinden.
Im Atomkern ist auch die Kernenergie gespeichert. Wenn nun nach
Eindringen des Neutrons der Kern in zwei Teile zerbricht, wirken
nur noch die abstoáenden Kr"fte zwischen den beiden
Kernbruchst cken. Sie entfernen sich deshalb mit
hoher Geschwindigkeit voneinander. Daraus folgert man, daá die
Kernenergie in Bewegungsenergie der Bruchst cke umgewandelt wird.
Die Kernbruchst cke, stoáen an Nachbaratome, die in starke
Schwingungen versetzt werden und
sich aneinander reiben. Die Bewegungsenergie wird dabei in
W"rmeenergie umgewandelt.
Die neuentstehenden mittelschweren Atomkerne sind in der Regel
selbst radioaktiv und senden gef"hrliche Strahlungen aus.
Um U-238-Kerne zu spalten, braucht man sehr schnelle Neutronen.
In einem Kilogramm Uran-235 steckt soviel Energie wie in 93
Waggons Kohle oder 67 Kesselwagen mit Heiz"l. Mit dieser
Energiemenge ( 23 Mio. kW/h ) k"nnten alle Bewohner
Westdeutschlands ihre Wohnungen eine Stunde lang beleuchten.
Kettenreaktion Abb. 8
Beschieát man ein St ck U-235 mit einem Neutron, spaltet dieses
irgendwo einen ersten Kern, der wiederum zwei Neutronen ausst"át.
Diese spalten weitere Kerne, welche wiederum 4 - 5 Neutronen
freisetzen. Wenn 4 dieser Geschosse auf Nachbaratome treffen und
diese zertr mmern, so bilden
sich 8 - 12 neue Neutronen. Diese spalten, abgesehen von einer
gewissen Verlustrate, wieder Kerne, wobei jedesmal ein gewaltiger
Energiebetrag freigesetzt wird. Dieser Vorgang setzt sich weiter
fort, und in
Sekundenbruchteilen w"chst die Zahl der gespaltenen Kerne und
damit die Energiegewinnung lawinenartig an. Diesen Vorgang nennt
man Kettenreaktion.
Anreicherung
U-235 Kerne werden durch langsame Neutronen gespalten. Um U-238
Kerne zu spalten, ben"tigt man hingegen sehr schnelle Neutronen.
Langsame dringen zwar auch in den Kern ein, werden jedoch in ihn
eingebaut, so daá sich U-239 bildet. Dieses wandelt sich ber eine
Zwischenstufe in Plutonium-239 um, das seinerseits gut durch langsame
Neutronen gespalten werden kann.
Man kann diesen Umweg aber wie folgt umgehen:
Das nat rliche Uran besteht zu 99,3% aus U-238, was bedeutet, daá
sich keine Kettenreaktion ereignen kann, wenn es mit langsamen
Neutronen beschossen wird. Die 2 - 3 Neutronen, welche bei einer
Spaltung eines U-235-Kerns
entstehen, sind meistens zu schnell, um einen der wenigen U-235-
Kerne zu spalten, andererseits sind sie zu langsam, um das U-238
zu zertr mmern. Sie werden, wie gesagt, nur eingefangen. Eine
einmal ausgel"ste Kernspaltung kann also ohne weiteres keine
Kettenreaktion erzeugen.
Es gibt jedoch eine M"glichkeit, diese zu erreichen.
1. Man erh"ht den U-235 Gehalt ( z.B.: von 0,7% auf ca. 3% ), um
mehr
spaltbares Material zu erhalten; dies nennt man dann
Anreicherung.
2. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen m ssen verlangsamt
werden.
Das auf 3% angereicherte Uran allein n tzt noch nicht viel, da
die beim
Spaltprozeá entstehenden Neutronen zu schnell sind. Deshalb
benutzt
man Stoffe, die Neutronen abbremsen k"nnen. Diese heiáen
Moderatoren.
Hierzu eignen sich z.B. Kohlenstoff, Wasser und Berillium.
Kapitel 4 - Kernfusion
4.1 Kernfusion Abb. 9
Die Energie der Sonne stammt aus Kernverschmelzungen, oder auch
Kernfusionen genannt. Die Sonne setzt ungeheure Energien frei. Es
handelt sich dabei nicht um Kernspaltungen, weil dazu Elemente mit
hohen Massenzahlen n"tig sind. Die Sonne besteht gr"átenteils aber
aus Elementen mit sehr kleinen Massenzahlen, vor allem ausWasserstoff
und Helium.
Auch bei normalen Verbrennungen finden Verschmelzungen statt.
Verbrennt z.B. Kohle, verschmelzen die Atomh llen von Kohlenstoff
und Sauerstoff, es entsteht Kohlenstoffdioxid. Bei der Kernfusion
verschmelzen nicht die Atomh llen, sondern die Atomkerne.
Wie bei der normalen Verbrennung ist auch f r Kernfusionen eine
Art Aktivierungsenergie n"tig. Zwei Atomkerne verschmelzen n"mlich
erst dann, wenn sie durch hohe Temperatur und Druckverh"ltnisse
dicht aneinander
geraten. Denn es m ssen erst die starken abstoáenden Kr"fte
( Coulombsche Abstoáungskr"fte ) der Atomkerne berwunden werden, da
diese beide positiv geladen sind.
Zur kontrollierten Verschmelzung kommen eigentlich nur die
beiden Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium in Frage. Diese
Stoffe m ssen auf ca. 100 Mio. øC erhitzt werden. Erst dann
reichen die Bewegungsenergien der Kerne zur sberwindung der
Abstoáungskr"fte aus.
Verschmelzen Deuterium- und Tritiumkerne miteinander, so entsteht
jeweils ein Heliumkern und ein Neutron. Die beiden neugebildeten
Teilchen haben insgesamt weniger Masse als die beiden
Ausgangskerne. Der Verlust wird dabei in einen gewaltigen
Energiebetrag umgewandelt.
Bei der Bildung von einem Kilogramm Helium durch Kernfusionen wird
zehnmal soviel Energie frei wie bei der vollst"ndigen Kernspaltung
von einem Kilogramm Uran. Allgemein sagt man Kernfusion ist der
Aufbau eines schwereren Atomkerns aus zwei leichteren.
Die Fixsterne, wie auch unsere Sonne beziehen ihre Energie durch
diesen Prozeá. Der Mensch hat sich diese Energiequelle bis jetzt
erst in der Wasserstoffbombe zunutze gemacht. Sogenannte
Fusionsreaktoren k"nnen mit den heutigen technischen Mitteln nicht
verwirklicht werden.
Die erste Wasserstoffbombe wurde von den USA im Jahre 1954
gez ndet.
Kapitel 5 - Kernwaffen
5.1 Atombombe Abb. 10
W"hrend in Atomkraftwerken Kettenreaktionen v"llig kontrolliert
ablaufen, findet bei einer Atombombenexplosion eine
unkontrollierte Kettenreaktion statt. Diese l"uft innerhalb von
Sekundenbruchteilen ( 1/1 Mio. Sekunde ) ab. Dadurch werden
explosionsartig groáe Mengen an W"rmeenergie frei ( 14 Mio. øC ,
23 kWh pro Kg U-235 ). Neben diesen ungeheuren Energien werden
auch t"dliche radioaktive Spaltprodukte freigesetzt.
In der Atombombe kann es nur dann zur Kettenreaktion kommen,
wenngen gend freie Neutronen auf gen gend spaltbare Kerne treffen.
Zwei Bedingungen m ssen hierf r erf llt werden:
1. Die Bombe muá reines U-235 enthalten, da sich nur diese Kerne
spalten lassen. Natururan eignet sich hief r nicht, da es ja nur aus
0,7 % U-235 besteht. Das passive U-238 wird in Isotopentrennungsanlagen
herausgefiltert.
2. Eine ausreichend groáe Masse Uran muá vorhanden sein, denn
sonst verlassen die meisten Neutronen das Uran durch seine
Oberfl"che, ohne daá eine Kettenreaktion ausgel"át wird. Diese notwendige
Mindestmasse, nennt man auch kritische Masse. Die kritische Masse betr"gt
bei U-235 23 Kilogramm. Man kann diese Masse auch noch herabsetzten, indem
man das Uran mit einem sogenannten Neutronenreflektor umh llt, der die
austretenden Neutronen in das Uran zur cklenkt.
Man kann auáer U-235 auch noch Plutonium-239 verwenden. Hierbei
betr"gt die kritische Masse sogar nur 5,6 Kilogramm. Es kommt in
der Natur nur sehr selten vor, wird aber in den Reaktoren von
Kernkraftwerken st"ndig erzeugt.
Abb. 11
Die bei der Explosion verlorengegangene Masse ist vergleichsweise
gering. Bei der Hiroshima-Bombe ( 6.8.1945 ) t"tete ein Gramm
Materie, das in Energie umgewandelt wurde, ca. 200 000 Menschen.
5.2 Wasserstoffbombe
Bei Wasserstoffbomben bzw. thermonuklearen Sprengk"rpern entsteht
die Energie durch Kernfusion der H-Isotope Deuterium und Tritium
oder Lithium-6. Zur Einleitung einer solchen Reaktion sind hohe
Temperaturen von einigen
MillionenøC n"tig. Deswegen benutzt man eine Atombombe als Z nder.
5.3 Cobaltbombe
Umgibt man eine Wasserstoffbombe mit einem Cobaltmantel, so wird
das nat rliche Cobaltisotop Co-59 durch Neutroneneinfang in das
radioaktive Co-60 umgewandelt, dessen starke Gammastrahlung eine
Halbwertzeit von 5,272 Jahren ( 5 Jahre und 99,28 Tage ) hat. Als
radioaktiver Niederschlag w rde es eine verheerende Wirkung auf
alles Leben aus ben.
5.4 Neutronenbombe
Im Grunde genommen ist die Neutronenbombe eine sehr kleine
Wasserstoffbombe. Allerdings entsteht bei ihrer Detonation nur
wenig Hitze und eine schwache Druckwelle, so daá fast keine
Besch"digungen an Geb"uden und Waffen auftreten. Daf r kommt es
aber, zu einer sehr starken Neutronenstrahlung, die bei der
Kernfusion entsteht. Sie wirkt vor allem gegen Lebewesen.
Die Gef"hrlichkeit der Neutronenbombe beruht in erster Linie auf
der biologischen Strahlenwirkung, der bei der Deuterium-Tritium-
Fusionsreaktion freigesetzten schnellen Neutronen, die fast alle
Materialien durchdringen. Die von Neutronen getroffenen
organischen Molek le k"nnen ihre biologischen Funktionen nicht
mehr ausf hren, was zur Zerst"rung der Zellen und schlieálich zu
Krankheit und Tod f hrt.
Der radioaktive Niederschlag hingegen ist so gering, daá man das
Zielgebiet bereits nach 24 Stunden wieder betreten kann.
Anlagen: Abb. 1 - Das Atommodell
Abb. 2 - Uran ( U-238 )
Abb. 3 - Strahlung
Abb. 4 - Abschirmung
Abb. 5 - Zerfall von Uran
Abb. 6 - Halbwertszeit
Abb. 7 - Kernspaltung
Abb. 8 - Kettenreaktion
Abb. 9 - Kernfusion
Abb. 10 - Schema einer A-bombe
Abb. 11 - Zerst"rungskraft eine A-Bombe
Quellen: 1. Brockhaus - Naturwissenschaften und Technik
2. Was ist Was - Band 3 - Atomenergie
3. Was ist Was - Band 79 - Moderne Physik
4. Cornelsen - Physik f r die Sek. Stufe 1 AH
5. Sch lerduden - Die Physik
6. Fischer Kolleg - Das Abiturwissen PHYSIK
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