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鿔

原子序數為112的化學元素
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鿔（ɡē）（英语：Copernicium），是一种人工合成的化学元素，其化学符号为Cn，原子序数为112。鿔是一种放射性极强的超重元素及锕系后元素，所有同位素的半衰期都很短，非常不稳定，其最长寿的已知同位素为285Cn，半衰期为28秒。鿔不出现在自然界中，只能在实验室内以粒子加速器人工合成。截至目前，科学家用不同的核反应共合成出了75个鿔原子。除了基础科学研究之外，鿔没有任何实际应用。

鿔 112Cn
氢（非金属） 氦（稀有气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（稀有气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（稀有气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（稀有气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（稀有气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（稀有气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为稀有气体）
汞
↑
鿔
↓
(Uhb)
𬬭 ← 鿔 → 鿭
概况
名称·符号·序数鿔（Copernicium）·Cn·112
元素类别过渡金属
族·周期·区12·7·d
标准原子质量[285]
电子排布[Rn] 5f14 6d10 7s2
2, 8, 18, 32, 32, 18, 2
<span class="inline-unihan" style="border-bottom: 1px dotted; font-variant: normal;cursor: help; font-family: sans-serif, &#039;FZSongS-Extended&#039;, &#039;FZSongS-Extended(SIP)&#039;, &#039;WenQuanYi Zen Hei Mono&#039;, &#039;BabelStone Han&#039;, &#039;HanaMinB&#039;, &#039;FZSong-Extended&#039;, &#039;Arial Unicode MS&#039;, Code2002, DFSongStd, &#039;STHeiti SC&#039;, unifont, SimSun-ExtB, TH-Tshyn-P0, TH-Tshyn-P1, TH-Tshyn-P2, Jigmo3, Jigmo2, Jigmo, ZhongHuaSongPlane15, ZhongHuaSongPlane02, ZhongHuaSongPlane00;" title="字符描述：⿰钅哥 &#10;※如果您看到空白、方块或问号，代表您的系统无法显示该字符。">鿔</span>的电子层（2, 8, 18, 32, 32, 18, 2）
鿔的电子层（2, 8, 18, 32, 32, 18, 2）
历史
发现重离子研究所（1996年）
物理性质
物态液体（预测）[1][2]
密度（接近室温）
23.7 g·cm−3
沸点357+112
−108 K，84+112
−108 °C，183+202
−194 °F
原子性质
氧化态4, 2, 1, 0
（预测[3][4][5]）
电离能第一：1154.9 kJ·mol−1

第二：2170.0 kJ·mol−1
第三：3164.7 kJ·mol−1

（更多）
原子半径147 pm
共价半径122 pm
（预测[6]）
杂项
晶体结构六方密排
（预测）[7]
CAS号54084-26-3
同位素
主条目：鿔的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
283Cn 人造 3.81 秒[10] α 9.520[11] 279Ds
SF –
285Cn 人造 30 秒 α 9.15, 9.03? 281Ds

在元素周期表中，鿔位于d区，是第7周期、第12族的成员。鿔和金的化学反应显示，它是一种极易挥发的金属，在标准状况下可能是挥发性液体甚至气体，并似乎具有稀有气体的属性，和同族的汞相似，完全具有12族中的最重元素的应有属性。

计算显示，鿔的某些性质和第12族中较轻的同族元素锌、镉和汞有较大的差异。最显著的不同就是鿔会在失去7s电子层前先失去两个6d层的电子。因此，根据相对论效应，鿔会是一种过渡金属。通过计算，科学家还发现鿔能呈稳定的+4氧化态，而汞则仅能在极端条件下呈+4态，锌和镉则不能呈+4态。科学家也精确地预测了鿔从游离态到化合态所需的能量。

位于德国达姆施塔特重离子研究所（GSI），由西格･霍夫曼（英语：Sigurd Hofmann）和维克托･尼诺夫（英语：Victor Ninov）领导的研究团队在1996年首次合成出鿔。其名称得自提出日心说的波兰天文学家尼古拉·哥白尼。

概论 编辑

这个部分摘自：超重元素 § 概论[编辑]

超重元素的合成 编辑

 
核聚变反应的图示。两个原子核融合成一个，并发射出一个中子。在这一刻，这个反应和用来创造新元素的反应是相似的，唯一可能的区别是它有时会释放几个中子，或者根本不释放中子。
外部视频链接
  基于澳大利亚国立大学的计算，核聚变未成功的可视化[12]

超重元素[a]的原子核是在两个不同大小的原子核[b]的聚变中产生的。粗略地说，两个原子核的质量之差越大，两者就越有可能发生反应。[18]由较重原子核组成的物质会作为靶子，被较轻原子核的粒子束轰击。两个原子核只能在距离足够近的时候，才能聚变成一个原子核。原子核都带正电荷，会因为静电排斥力而相互排斥，所以只有两个原子核的距离足够短时，强核力才能克服这个排斥力并发生聚变。粒子束因此被粒子加速器大大加速，以使这种排斥力与粒子束的速度相比变得微不足道。[19]施加到粒子束上以加速它们的能量可以使它们的速度达到光速的十分之一。但是，如果施加太多能量，粒子束可能会分崩离析。[19]

不过，只是靠得足够近不足以使两个原子核聚变：当两个原子核逼近彼此时，它们通常会融为一体约10−20秒，之后再分开（分开后的原子核不需要和先前相撞的原子核相同），而非形成单一的原子核。[19][20]这是因为在尝试形成单个原子核的过程中，静电排斥力会撕开正在形成的原子核。[19]每一对目标和粒子束的特征在于其截面，即两个原子核彼此接近时发生聚变的概率。[c]这种聚变是量子效应的结果，其中原子核可以通过静电排斥隧穿。如果两个原子核可以在该阶段之后保持靠近，则多个核相互作用会导致能量的重新分配和平衡。[19]

两个原子核聚变产生的原子核处于非常不稳定，[19]被称为复合原子核（英语：compound nucleus）的激发态。[22]复合原子核为了达到更稳定的状态，可能会直接裂变，[23]或是放出一些中子来带走激发能量。如果激发能量太小，无法放出中子，复合原子核就会放出γ射线来带走激发能量。这个过程会在原子核碰撞后的10−16秒发生，并创造出更稳定的原子核。[23]原子核只有在10−14秒内不衰变，IUPAC/IUPAP联合工作小组才会认为它是化学元素。这个值大约是原子核得到它的外层电子，显示其化学性质所需的时间。[24][d]

衰变和探测 编辑

粒子束穿过目标后，会到达下一个腔室——分离室。如果反应产生了新的原子核，它就会被这个粒子束携带。[26]在分离室中，新的原子核会从其它核素（原本的粒子束和其它反应产物）中分离，[e]到达半导体探测器（英语：Semiconductor detector）后停止。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。[26]这个转移需要10−6秒的时间，因此原子核需要存在这么长的时间才能被检测到。[29]若衰变发生，衰变的原子核被再次记录，并测量位置、衰变能量和衰变时间。[26]

原子核的稳定性源自于强核力，但强核力的作用距离很短，随着原子核越来越大，强核力对最外层的核子（质子和中子）的影响减弱。同时，原子核会被质子之间，范围不受限制的静电排斥力撕裂。[30]强核力提供的核结合能以线性增长，而静电排斥力则以原子序数的平方增长。后者增长更快，对重元素和超重元素而言变得越来越重要。[31][32]超重元素理论预测[33]及实际观测到[34]的主要衰变方式，即α衰变和自发裂变都是这种排斥引起的。[f]几乎所有会α衰变的核素都有超过210个核子，[36]而主要通过自发裂变衰变的最轻核素有238个核子。[34]有限位势垒在这两种衰变方式中抑制了原子核衰变，但原子核可以隧穿这个势垒，发生衰变。[31][32]

 
基于在杜布纳联合原子核研究所中设置的杜布纳充气反冲分离器，用于产生超重元素的装置方案。在检测器和光束聚焦装置内的轨迹会因为前者的磁偶极（英语：Magnetic dipole）和后者的四极磁体（英语：Quadrupole magnet）而改变。[37]

放射性衰变中常产生α粒子是因为α粒子中的核子平均质量足够小，足以使α粒子有多余能量离开原子核。[38]自发裂变则是由静电排斥力将原子核撕裂而致，会产生各种不同的产物。[32]随着原子序数增加，自发裂变迅速变得重要：自发裂变的部分半衰期从92号元素铀到102号元素锘下降了23个数量级，[39]从90号元素钍到100号元素镄下降了30个数量级。[40]早期的液滴模型因此表明有约280个核子的原子核的裂变势垒（英语：Fission barrier）会消失，因此自发裂变会立即发生。[32][41]之后的核壳层模型表明有大约300个核子的原子核将形成一个稳定岛，其中的原子核不易发生自发裂变，而是会发生半衰期更长的α衰变。[32][41]随后的发现表明预测存在的稳定岛可能比原先预期的更远，还发现长寿命锕系元素和稳定岛之间的原子核发生变形，获得额外的稳定性。[42]对较轻的超重核素[43]以及那些更接近稳定岛的核素[39]的实验发现它们比先前预期的更难发生自发裂变，表明核壳层效应变得重要。[g]

α衰变由发射出去的α粒子记录，在原子核衰变之前就能确定衰变产物。如果α衰变或连续的α衰变产生了已知的原子核，则可以很容易地确定反应的原始产物。[h]因为连续的α衰变都会在同一个地方发生，所以通过确定衰变发生的位置，可以确定衰变彼此相关。[26]已知的原子核可以通过它经历的衰变的特定特征来识别，例如衰变能量（或更具体地说，发射粒子的动能）。[i]然而，自发裂变会产生各种分裂产物，因此无法从其分裂产物确定原始核素。[j]

尝试合成超重元素的物理学家可以获得的信息是探测器收集到的信息，即原子核到达探测器的位置、能量、时间以及它衰变的信息。他们分析这些数据并试图得出结论，确认它确实是由新元素引起的。如果提供的数据不足以得出创造出来的核素确实是新元素的结论，且对观察到的现象没有其他解释，就可能在解释数据时出现错误。[k]

历史 编辑

发现 编辑

位于德国达姆施塔特重离子研究所（GSI），由西格·霍夫曼和维克托·尼诺夫领导的研究团队在1996年首次合成出鿔元素。他们在重离子加速器中用高速运行的70锌原子束轰击208铅目标体，获得一颗半衰期仅为0.24毫秒的277Cn原子（另一颗被击散）。制取该元素的核反应方程式为：

 

2002年重离子研究所重复相同的实验，再次得到一个鿔原子。2004年，日本一家研究机构也合成出了两个鿔原子[54]。

名称 编辑

国际纯化学与应用化学联盟（IUPAC）在经过长期验证后，于2009年6月正式承认第112号元素的合成，并随后邀请霍夫曼领导的团队为112号元素提出一个永久名称。2009年7月17日，该团队提议将112号元素命名为Copernicium，缩写Cp，以纪念著名天文学家哥白尼（Copernicus）。他们称，将其命名为Cp的原因，是由哥白尼所提出的日心说与化学中的原子结构（卢瑟福模型）有很多相似之处。

Cp这个名称当时未获得IUPAC的正式承认。IUPAC在此后6个月的时间内进行审议，听取科学界的意见，并于2010年1月公布审议的结果。[55]2009年9月，《自然》杂志上的一篇文章[56]指出符号Cp曾用于镥元素（Lutetium）的旧称（Cassiopeium），现在在配位化学中亦用于指环戊二烯（茂，Cyclopentadiene）配位体。根据目前IUPAC对元素的命名规则，新元素的提议名称是不得与其他元素名称或符号重复的。考虑到上述情况，为了避免歧义，IUPAC已把提议中的符号Cp改为Cn（Copernicium）。[57]

2010年2月19日，德国重离子研究所正式宣布，经国际纯粹与应用化学联合会确认，由该所人工合成的第112号化学元素从即日起获正式名称“Copernicium”，相应的元素符号为“Cn”。[58]

在台湾，此元素之中文名称由国立编译馆化学名词审议委员会和中国化学会名词委员会开会讨论后决定命名为鿔[59]。

中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会于2012年1月确定了鿔（读音同“哥”）的简体中文名称，获国家语言文字工作委员会批准后进入国家规范用字。[60][61]

同位素与核特性 编辑

主条目：鿔的同位素
鿔的同位素列表
同位素 半衰期[l] 衰变方式 发现年份 发现方法
数值 来源
277Cn 0.79 ms [34] α 1996年 208Pb(70Zn,n)
281Cn 0.18 s [62] α 2010年 285Fl(—,α)
282Cn 0.83 ms [10] SF 2003年 290Lv(—,2α)
283Cn 3.81 s [10] α, SF, EC? 2003年 287Fl(—,α)
284Cn 121 ms [63] α, SF 2004年 288Fl(—,α)
285Cn 30 s [34] α 1999年 289Fl(—,α)
285mCn[m] 15 s [34] α 2012年 293mLv(—,2α)
286Cn[m] 8.45 s [64] SF 2016年 294Lv(—,2α)

目前已知的鿔同位素共有7个，质量数分别为277和281-286，此外鿔-285还有已知但未确认的亚稳态。[65]鿔的同位素全部都具有极高的放射性，半衰期极短，非常不稳定，且较重的同位素大多比较轻的同位素来的稳定，其中最长寿的同位素为鿔-285，半衰期为28秒。除了鿔-285外，其他寿命较长的同位素有鿔-283（半衰期4秒）和未经证实的鿔-285m（15秒）及鿔-286（8.45秒），剩下的同位素半衰期皆短于1秒。大多数鿔同位素主要发生α衰变，有些则会发生自发裂变，此外鿔-283也有几率发生电子捕获。[66]

根据预测，更重的未发现同位素鿔-291和鿔-293可能具有相对极长的半衰期，长达数十年以上，因为理论上它们预计位于稳定岛的中心附近，并且有机会在超新星的R-过程中生成，并在宇宙射线中检测到，尽管它们的含量大约仅为铅的10-12倍。[67]

化学属性 编辑

推算的化学属性 编辑

氧化态 编辑

鿔是6d系的最后一个过渡金属，是元素周期表中12族最重的元素，位于锌、镉和汞下面。科学家预测，鿔与其他较轻的12族元素在属性上有显著差异。由于7s电子轨道的稳定加上相对论效应，6d轨道较不稳定性，因此Cn2+离子的电子排布很可能是[Rn]5f146d87s2，这和同族元素是不同的。在水溶液中，鿔很可能形成+2和+4氧化态，后者更稳定。在较轻的12族元素中，+2氧化态是最常见的，而只有汞能呈+4氧化态，但极少见。唯一一个已知的四价汞化合物（四氟化汞，HgF4）也只能在极端条件下存在。[68] 类似的鿔化合物CnF4、CnO2预计将更加稳定。双原子离子Hg2+
2中汞具有+1态，但是Cn2+
2离子预计将不稳定，甚至不存在。[69]

实验化学 编辑

原子气态 编辑

鿔有基态电子排布为[Rn]5f146d107s2，所以根据构造原理，鿔应该属于周期表的12族。因此，它的属性应表现为汞的较重同族元素，可与金等贵金属形成二元化合物。鿔的化学实验主要研究鿔在不同温度下在金箔表面的吸附作用，从而计算出吸附焓值。由于7s轨道电子相对稳定，鿔表现出类似氡的属性。实验同时形成了汞和氡的放射性同位素，这使科学家能够比较这些元素的吸附特性。

最初的化学实验使用了238U(48Ca,3n)283Cn反应。实验检测到目标同位素的自发裂变，半衰期为5分钟。分析数据表明，鿔的挥发性比汞高，并似乎具有稀有气体的属性。然而，由于未能确定283Cn同位素的发现，因此科学家对这些化学实验结果是持着疑问的。2006年4月至5月，Flerov核研究实验室和保罗谢尔研究所的联合团队在联合核研究所进行了𫓧的合成实验：242Pu(48Ca,3n)287Fl，并在衰变产物中对283Cn进行研究。该实验明确探测到两个283Cn原子，并发现鿔和金会产生弱金属-金属键。这意味着鿔是具高挥发性的汞同类物（英语：congener (chemistry)），明确属于12族。

2007年4月，科学家重复进行了这条反应，又合成了三个283Cn原子。该实验证实了鿔的吸附特性，结果表示鿔完全具有12族中的最重元素的应有属性。[4]

注释 编辑

  1. ^ 在核物理学中，原子序高的元素可称为重元素，如82号元素铅。超重元素通常指原子序大于103（也有大于100[13]或112[14]的定义）的元素。有定义认为超重元素等同于锕系后元素，因此认为还未发现的超锕系元素不是超重元素。[15]
  2. ^ 2009年，由尤里·奥加涅相引领的团队发表了他们尝试通过对称的136Xe + 136Xe反应合成𬭶的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子，因此设置截面，即发生核反应的概率的上限为2.5 pb。[16]作为比较，发现𬭶的反应208Pb + 58Fe的截面为19+19
    -11     pb。[17]
  3. ^ 施加到粒子束以加速它的能量也会影响截面。举个例子，在28
    14    Si
     + 1
    0    n
     → 28
    13    Al
     + 1
    1    p
    反应中，截面会从12.3 MeV的370 mb变化成18.3 MeV的160 mb，最高值是13.5 MeV的380 mb。[21]
  4. ^ 这个值也是普遍接受的复合原子核寿命上限。[25]
  5. ^ 分离基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标这一点。分离器中包含电场和磁场，它们对运动粒子的影响会因粒子的特定速度而被抵消。[27]飞行时间质谱法（英语：Time-of-flight mass spectrometry）和反冲能量的测量也有助于分离，两者结合可以估计原子核的质量。[28]
  6. ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的，β衰变便是弱核力导致的。[35]
  7. ^ 早在1960年代，人们就已经知道原子核的基态在能量和形状上的不同，也知道核子数为幻数时，原子核就会更稳定。然而，当时人们假设超重元素的原子核因为过于畸形，无法形成核子结构。[39]
  8. ^ 超重元素的原子核的质量通常无法直接测量，所以是根据另一个原子核的质量间接计算得出的。[44]2018年，劳伦斯伯克利国家实验室首次直接测量了超重原子核的质量，[45]它的质量是根据转移后原子核的位置确定的（位置有助于确定其轨迹，这与原子核的质荷比有关，因为转移是在有磁铁的情况下完成的）。[46]
  9. ^ 如果在真空中发生衰变，那么由于孤立系统在衰变前后的总动量必须保持守恒，衰变产物也将获得很小的速度。这两个速度的比值以及相应的动能比值与两个质量的比值成反比。衰变能量等于α粒子和衰变产物的已知动能之和。[36]这些计算也适用于实验，但不同之处在于原子核在衰变后不会移动，因为它与探测器相连。
  10. ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的，[47]而他也是杜布纳联合原子核研究所的科学家，所以自发裂变就成了杜布纳联合原子核研究所经常讨论的课题。[48]劳伦斯伯克利国家实验室的科学家认为自发裂变的信息不足以声称合成元素，他们认为对自发裂变的研究还不够充分，无法将其用于识别新元素，因为很难确定复合原子核是不是仅喷射中子，而不是质子或α粒子等带电粒子。[25]因此，他们更喜欢通过连续的α衰变将新的同位素与已知的同位素联系起来。[47]
  11. ^ 举个例子，1957年，瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所错误鉴定102号元素。[49]早先没有关于该元素发现的明确声明，所以瑞典、美国、英国发现者将其命名为nobelium。后来证明该鉴定是错误的。[50]次年，劳伦斯伯克利国家实验室无法重现瑞典的结果。他们宣布合成了该元素，但后来也被驳回。[50]杜布纳联合原子核研究所坚持认为他们第一个发现该元素，并建议把新元素命名为joliotium，[51]而这个名称也没有被接受（他们后来认为102号元素的命名是仓促的）。[52]由于nobelium这个名称在三十年间已被广泛使用，因此没有更名。[53]
  12. ^ 不同的来源会给出不同的数值，所以这里列出最新的数值。
  13. ^ 13.0 13.1 未确认的同位素

参考资料 编辑

  1. ^ Soverna S 2004, 'Indication for a gaseous element 112,' （页面存档备份，存于互联网档案馆） in U Grundinger (ed.), GSI Scientific Report 2003, GSI Report 2004-1, p. 187, ISSN 0174-0814
  2. ^ Mewes, J.-M.; Smits, O. R.; Kresse, G.; Schwerdtfeger, P. Copernicium is a Relativistic Noble Liquid. Angewandte Chemie International Edition. 2019. doi:10.1002/anie.201906966. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 Hoffman, Darleane C.; Lee, Diana M.; Pershina, Valeria. Transactinides and the future elements. Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (编). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006. ISBN 1-4020-3555-1. 
  4. ^ 4.0 4.1 H. W. Gäggeler. Gas Phase Chemistry of Superheavy Elements (PDF). Paul Scherrer Institute: 26–28. 2007. （原始内容 (PDF)存档于2012-02-20）. 
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  6. ^ Chemical Data. Copernicium - Cn （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Royal Chemical Society
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参考书目 编辑

外部链接 编辑

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