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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, da alle
Materie aus kleinsten, nicht mehr teilbaren Teilchen bestehe.
1803 wurde diese Atomtheorie vom Engl"nder John Dalton erweitert.
Er entdeckte, da 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 gro Atome sind:
a) Alle 5 Milliarden Menschen die z.Zt. auf der Erde leben,
wrden, wenn ein Mensch so gro wie ein Atom w"re, eine etwa 50
cm lange Kette bilden.
oder
b) Wenn der Atomkern die Gr"e einer Kirsche h"tte, dann w"re ein
ganzes Atom so gro 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 groem Abstand die
Elektronen.
Das heutige Atombild:
Ein Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhlle. Dabei ist
der Kern positv und die Hlle 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 Atomhlle 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, da 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, fr 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 Milchstraensystem 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 schlieen sich zu Atomkernen
zusammen.
Kerne und Elektronen vereinigen sich zu Atomen, diese fgen sich
zu kleinen oder riesigen Moleklen wie Wasser oder Eiwei
zusammen. Milliarden von Moleklen 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 stoen 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, mten sie daher eigentlich zerplatzen.
Wie ist es z.B. m"glich, da beim Kohlenstoffkern 6 positive
Protonen auf engstem Raum zusammenbleiben? Das liegt daran, da
zwischen den Nukleonen eine noch viel gr"ere 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, da 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 auer 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
da er wute, da das Gestein Strahlen aussendete. Nach der
Entwicklung der Photoplatte stellte er fest, da 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 )
schlielich 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 heit 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 Stck 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
auen 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 Stramann Uranatomkerne mit Neutronen. Sie stellten
bei diesem Versuch fest, da einige dieser Urankerne in zwei etwa
gleich groe Stcke gespalten wurden. Die Neutronen k"nnen also
gr"ere Atomkerne spalten. Protonen und Elektronen sind dafr
ungeeignet, da Protonen von den Protonen des Atomkerns abgestoen
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, da 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 natrliche 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 Bruchstcke zerplatzt, z.B. in einen Barium-144-Kern,
einen Krypton-90-Kern und zwei neue Neutronen. Nach genauerer
Untersuchung stellte man fest, da diese entstandenen Bruchstcke
weniger Masse haben, als der beschossene Kern und das Gescho.
Es ist also Masse verlorengegangen, die in einen gewaltigen
Energiebetrag, die Kernenergie, umgewandelt wird.
Dies geschieht nach Einsteins Formel: E = m * c
Was ist also geschehen ?
Wie schon gesagt, wird ein Atomkern von sog. Kernkr"ften
zusammengehalten, die verhindern, da die positive Protonen im
Kern sich abstoen. 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 abstoenden Kr"fte zwischen den beiden
Kernbruchstcken. Sie entfernen sich deshalb mit
hoher Geschwindigkeit voneinander. Daraus folgert man, da die
Kernenergie in Bewegungsenergie der Bruchstcke umgewandelt wird.
Die Kernbruchstcke, stoen 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
Beschiet man ein Stck U-235 mit einem Neutron, spaltet dieses
irgendwo einen ersten Kern, der wiederum zwei Neutronen ausst"t.
Diese spalten weitere Kerne, welche wiederum 4 - 5 Neutronen
freisetzen. Wenn 4 dieser Geschosse auf Nachbaratome treffen und
diese zertrmmern, 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 da 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 natrliche Uran besteht zu 99,3% aus U-238, was bedeutet, da
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 zertrmmern. 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 mssen verlangsamt
werden.
Das auf 3% angereicherte Uran allein ntzt noch nicht viel, da
die beim
Spaltproze entstehenden Neutronen zu schnell sind. Deshalb
benutzt
man Stoffe, die Neutronen abbremsen k"nnen. Diese heien
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"tenteils 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 Atomhllen von Kohlenstoff
und Sauerstoff, es entsteht Kohlenstoffdioxid. Bei der Kernfusion
verschmelzen nicht die Atomhllen, sondern die Atomkerne.
Wie bei der normalen Verbrennung ist auch fr 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 mssen erst die starken abstoenden Kr"fte
( Coulombsche Abstoungskr"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 mssen auf ca. 100 Mio. C erhitzt werden. Erst dann
reichen die Bewegungsenergien der Kerne zur sberwindung der
Abstoungskr"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 Proze. 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
gezndet.
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 groe Mengen an W"rmeenergie frei ( 14 Mio. C ,
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,
wenngengend freie Neutronen auf gengend spaltbare Kerne treffen.
Zwei Bedingungen mssen hierfr erfllt werden:
1. Die Bombe mu reines U-235 enthalten, da sich nur diese Kerne
spalten lassen. Natururan eignet sich hiefr nicht, da es ja nur aus
0,7 % U-235 besteht. Das passive U-238 wird in Isotopentrennungsanlagen
herausgefiltert.
2. Eine ausreichend groe Masse Uran mu vorhanden sein, denn
sonst verlassen die meisten Neutronen das Uran durch seine
Oberfl"che, ohne da eine Kettenreaktion ausgel"t 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 umhllt, der die
austretenden Neutronen in das Uran zurcklenkt.
Man kann auer 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
MillionenC n"tig. Deswegen benutzt man eine Atombombe als Znder.
5.3 Cobaltbombe
Umgibt man eine Wasserstoffbombe mit einem Cobaltmantel, so wird
das natrliche 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 wrde es eine verheerende Wirkung auf
alles Leben ausben.
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 da fast keine
Besch"digungen an Geb"uden und Waffen auftreten. Dafr 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 Molekle k"nnen ihre biologischen Funktionen nicht
mehr ausfhren, was zur Zerst"rung der Zellen und schlielich zu
Krankheit und Tod fhrt.
Der radioaktive Niederschlag hingegen ist so gering, da 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 fr die Sek. Stufe 1 AH
5. Schlerduden - Die Physik
6. Fischer Kolleg - Das Abiturwissen PHYSIK
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