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鐽   110Ds
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)




(Uhn)
概況
名稱·符號·序數鐽(Darmstadtium)·Ds·110
元素類別未知
可能為過渡金屬
·週期·10 ·7·d
標準原子質量[281]
电子排布[Rn] 5f14 6d8 7s2
(預測)[1]
2, 8, 18, 32, 32, 16, 2
(預測)[1]
鐽的电子層(2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 (預測)[1])
歷史
發現重離子研究所(1994年)
物理性質
物態固體(預測)[2]
密度(接近室温
34.8(預測)[1] g·cm−3
蒸氣壓
原子性質
氧化态8, 6, 4, 2, 0(預測)[1]
电离能第一:955.2(估值)[1] kJ·mol−1

第二:1891.1(估值)[1] kJ·mol−1
第三:3029.6(估值)[1] kJ·mol−1

更多
原子半径118(估值)[1] pm
共价半径128(估值)'[3] pm
雜項
CAS号54083-77-1
最穩定同位素
主条目:鐽的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
281Ds syn 11 s 94% SF -
6% α 8.67 277Hs
281mDs? syn 3.7 min α 8.77 277mHs?
279Ds syn 0.20 s 10% α 9.70 275Hs
90% SF -
此處只列出半衰期超過0.1秒的同位素

拼音注音ㄉㄚˊ粤拼daat6,音同「达」;英語:Darmstadtium),是一種人工合成化學元素,其化學符號Ds原子序數为110。鐽是一種放射性極強的超重元素錒系後元素,所有同位素半衰期都很短,非常不穩定,其最重也最長壽的同位素为281Ds,半衰期约为11秒。鐽是10族中最重的元素,但由於沒有足夠穩定的同位素,因此目前未能通過化學實驗來驗證鐽的性質是否符合元素週期律。有證據顯示存在着另一個更長壽的同核異構體281mDs,其半衰期為3.71分鐘。

德國達姆施塔特重離子研究所的研究團隊在1994年首次合成出鐽元素,並以發現地達姆施塔特命名此元素。

概述[编辑]

核聚变图示
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
video icon 基于澳大利亚国立大学的计算,核聚变未成功的可视化[4]

超重元素[a]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,两者发生反应的可能性就越大。[10]由较重原子核组成的物质会作為靶子,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(全部都有正电荷)会因为静电排斥而相互排斥,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。[11]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,它们通常会在一起约10−20秒后裂变(产物不需要和反应物相同),而非形成单独的原子核。[11][12]如果聚变发生了,两个原子核产生的一个原子核会处于激发态[13],被称为复合原子核英语compound nucleus,非常不稳定。[11]为了达到更稳定的状态,这个暂时存在的原子核可能会直接核裂变[14]或是放出一些带走激发能量的中子。如果这些激发能量不足以使中子被放出,复合原子核就会放出γ射线。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。[14]联合工作团队英语IUPAC/IUPAP Joint Working Party(JWP)定义,化学元素的原子核只有10−14秒内不进行放射性衰变,才能被识别出来,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。[15][c]

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。[17]在分离室中,新产生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,[d]并转移到半导体探测器英语Semiconductor detector中,在这里停止原子核。这时标记撞击探测器的确切位置、能量和到达时间。[17]这个转移需要10−6秒的时间,意即这个原子核需要存活这么长的时间才能被检测到。[20]衰变被记录后,这个原子核被再次记录,并测量位置、衰变能量和衰变时间。[17]

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。[21]超重元素[22]的主要衰变方式——α衰变自发裂变都是这种排斥引起的。[e]α衰变由发射出去的α粒子记录,在实际衰变之前很容易确定衰变产物。如果这样的衰变或一系列连续衰变产生了一个已知的原子核,则可以很容易地确定反应的原始产物。[f](衰变链中的所有衰变都必须在同一个地方发生。)[17] 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)。[g]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。[h]

嘗試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:粒子到达探测器的位置、能量和时间,以及粒子衰变的信息。物理学家分析这些数据并试图得出结论,確認它确实是由新元素引起的,而非由不同的核素引起的。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,并且对观察到的影响没有其他解释,就可能在解释数据时出现错误。[i]

歷史[编辑]

发现[编辑]

鐽是一種人工合成的元素,由德国达姆施塔特重离子研究所(GSI)的西格・霍夫曼英语Sigurd Hofmann等人于1994年11月9日,在线性加速器内利用-62和-64轰击-208而合成的。製成的同位素有鐽-269和鐽-271,其中鐽-271比較穩定。

命名[编辑]

根据IUPAC元素系统命名法,鐽的舊稱是Ununnilium,源自110的拉丁文寫法。2003年8月16日,IUPAC正式將其命名為Darmstadtium,以紀念發現這元素的重離子研究所所在地达姆施塔特(但其實GSI位于达姆施塔特以北的Wixhausen小区)。由於110也是德國報警時所撥的號碼,鐽又有另外一個外號:Policium(警察元素)。[34]

2003年12月,全国科学技术名词审定委员会化学名词审定委员会组织无机化学名词组和放射化学名词组及有关专家,讨论了110号元素的中文名称的定名问题,在广泛征求意见的基础上审定名称为“𫟼”(读音同“达”)。其定名使用的汉字已征得国家语言文字工作委员会的同意,经全国科学技术名词审定委员会批准予以公布使用。[35]

同位素與核特性[编辑]

目前已知的鐽同位素共有9個,質量數分別為267、269-271、273、277和279-281,還有三個已知的亞穩態,鐽-270m、鐽-271m和鐽-281m(未證實)。鐽的同位素全部都具有極高的放射性半衰期極短,非常不穩定,且較重的同位素大多比較輕的同位素來的穩定,其中最長壽的同位素為鐽-281,半衰期約12.7秒,也是目前發現最重的鐽同位素。其餘同位素的半衰期都在1秒以下,大部分半衰期在1微秒至70毫秒之間。[36]大多數鐽同位素主要發生α衰變,有些則會進行自發裂變[37]

核合成[编辑]

能產生Z=110複核的目標、發射體組合[编辑]

下表列出各種可用以產生110號元素的目標、發射體組合。

目標 發射體 CN 結果
208Pb 64Ni 272Ds 反應成功
208Pb 62Ni 270Ds 反應成功
232Th 48Ca 280Ds 至今失敗
238U 40Ar 278Ds 至今失敗
244Pu 36S 280Ds 尚未嘗試
244Pu 34S 278Ds 反應成功
248Cm 30Si 278Ds 尚未嘗試
250Cm 30Si 280Ds 尚未嘗試
249Cf 26Mg 275Ds 尚未嘗試
251Cf 26Mg 277Ds 尚未嘗試

冷聚變[编辑]

208Pb(64Ni,xn)272-xDs(x=1)[编辑]

GSI的科學家在1986年研究了這條反應,但沒有成功。計算出的截面限制在12 pb。1994年,他們使用改進了的設施,成功地檢測到9顆271Ds原子。GSI在2000年成功重現了這種反應,檢測到4個原子[38][39][40][41]勞倫斯伯克利國家實驗室則在2000年和2004年探測到9顆原子,而2002年日本理化學研究所也測得14顆原子。[42]

207Pb(64Ni,xn)271-xDs(x=1)[编辑]

2000年10月至11月,GSI小組也在反應中使用207Pb目標體進行實驗,以尋找新的同位素270Ds。他們成功合成8個270Ds原子,其中包括基態270Ds和高自旋同核異構體270mDs。[43]

208Pb(62Ni,xn)270-xDs(x=1)[编辑]

GSI的研究小組於1994年研究了這條反應,探測到3個269Ds原子。他們起初測定了第4條衰變鏈,但其後將其撤回。

209Bi(59Co,xn)268-xDs[编辑]

俄羅斯杜布納的小組在1986年首次研究這個反應。他們無法檢測到任何原子,測量的截面限制在1 pb。1995年,勞倫斯伯克利國家實驗室報告表明,他們成功地在1n中子蒸發通道中檢測到267Ds的單個原子。然而他們沒有測量某些衰變,因此需要進一步研究來確認這一發現。[44]

熱聚變[编辑]

232Th(48Ca,xn)280-xDs[编辑]

杜布納的團隊在1986年首次嘗試用熱核聚變合成鐽元素。他們無法測量任何自發裂變活動,計算出的截面限制在1 pb。1997年11月和1998年10月,同樣的團隊在三個不同的實驗中重新研究這種反應。他們的新方法使用48Ca來合成超重元素。他們檢測到一些半衰期相對較長的自發裂變活動,並初步分配到衰變產物269Sg或265Rf,截面為5 pb。

232Th(44Ca,xn)276-xDs[编辑]

杜布納小組在1986年和1987年進行了這種反應,並在這兩個實驗中測量到10毫秒的自發裂變活動,分配到272Ds,截面為10 pb。目前認為這項裂變活動並不是來自鐽同位素的。

238U(40Ar,xn)278-xDs[编辑]

1987年,杜布納小組首次嘗試這種反應。他們只觀察到來自240mfAm和242mfAm的自發裂變,截面限制在1.6 pb。GSI小組於1990年首次研究這個反應,沒有檢測到任何鐽原子。2001年8月,GSI重複進行反應,但沒有成功,計算出的截面限制在1.0 pb。

236U(40Ar,xn)276-xDs[编辑]

1987年,杜布納小組首次嘗試這種反應,但沒有觀察到自發裂變活動。

235U(40Ar,xn)275-xDs[编辑]

1987年,杜布納小組首次嘗試這種反應,但沒有觀察到自發裂變活動。GSI團隊在1990年作進一步研究,同樣沒有檢測到鐽原子,截面限制在21 pb。

233U(40Ar,xn)273-xDs[编辑]

GSI團隊在1990年首次嘗試這條反應,但沒有檢測到鐽原子,截面限制在21 pb。

244Pu(34S,xn)278-xDs(x=5)[编辑]

1994年9月,杜布納小組在5n中子蒸發通道中檢測到273Ds的單個原子,截面只有400 fb。[45]

作為衰變產物[编辑]

科學家也曾在更重元素的衰變產物中發現鐽的同位素。

蒸發殘留 觀測到的鐽同位素
293Lv, 289Fl 281Ds
291Lv, 287Fl, 283Cn 279Ds
285Fl 277Ds
277Cn 273Ds

在一些實驗中,293Lv和289Fl衰變所產生的鐽同位素以8.77 MeV的能量進行α衰變,半衰期為3.7分鐘。雖然未經證實,但這項活動極有可能是與一個亞穩態同核異構體281mDs有關。

撤回的同位素[编辑]

280Ds[编辑]

首次合成時所產生的兩個原子起初被認定為288Fl,其衰變到280Ds後進行自發裂變。後來該發現被改為289Fl,衰變產物則改為281Ds。因此280Ds目前還是未知的同位素。

277Ds[编辑]

1999年一項有關發現293Uuo的報告指出,277Ds以10.18 MeV能量進行α衰變,半衰期為3 ms。發現者於2001年撤回這項發現。這個同位素最後於2010年被合成,其衰變特性不符合此前的數據。

273mDs[编辑]

GSI在1996年合成277Cn(詳見),其中一條衰變鏈以9.73 MeV能量進行α衰變,形成273Ds,半衰期為170毫秒。該數據無法得到證實,因此273mDs目前還是未知的。

272Ds[编辑]

在第一次嘗試合成鐽的實驗中,10毫秒的自發裂變活動被分配到272Ds,所用反應為232Th(44Ca,4n)。該同位素的發現已被撤回。

同位素發現時序[编辑]

同位素 發現年份 核反應
267Ds 1994年 209Bi(59Co,n)
268Ds 未知
269Ds 1994年 208Pb(62Ni,n)
270Dsg,m 2000年 207Pb(64Ni,n)
271Dsg,m 1994年 208Pb(64Ni,n)
272Ds 未知
273Ds 1996年 244Pu(34S,5n)
274Ds 未知
275Ds 未知
276Ds 未知
277Ds 2010年 242Pu(48Ca,5n)
278Ds 未知
279Ds 2002年 244Pu(48Ca,5n)
280Ds 未知
281aDs 1999年 244Pu(48Ca,3n)
281bDs 1999年 244Pu(48Ca,3n)

核異構體[编辑]

281Ds[编辑]

分別由289Fl或293Lv形成281Ds的兩條衰變鏈相互存在矛盾。最常見的衰變模式是自發裂變,半衰期為11秒。一個未經證實的罕見衰變模式是能量為8.77MeV的α衰變,觀察到的半衰期為3.7分鐘。這種衰變路徑十分特別,很可能是源自同核異構體能級,但需要進一步研究來確認這些報告。

271Ds[编辑]

直接合成271Ds的衰變數據清楚地表明存在兩個同核異構體。第一個所釋放的α粒子能量為10.74和10.69 MeV,半衰期為1.63毫秒;另一個的α粒子能量為10.71 MeV,半衰期為69毫秒。第一個同核異構體為基態,後者則為同核異能態。有科學家認為,由於兩種同核異構體的α衰變能量相近,因此同核異能態主要是以延遲同核異能躍遷的形式進行衰變的。

270Ds[编辑]

直接和成270Ds的實驗結果明確表明存在兩個同核異構體。基態270Ds通過α衰變形成266Hs,途中釋放一顆能量為11.03 MeV的α粒子,半衰期為0.1毫秒。亞穩態同樣進行α衰變,期間放射能量為12.15、11.15和10.95 MeV的α粒子,半衰期為6毫秒。亞穩態在釋放12.15 MeV能量的α粒子後,會形成266Hs的基態。這表明該亞穩態的能量比基態高出1.12 MeV。

同位素產量[编辑]

下表列出直接合成鐽的聚變核反應的截面和激發能量。粗體數據代表從激發函數算出的最大值。+代表觀測到的出口通道。

冷聚變[编辑]

發射體 目標 CN 1n 2n 3n
62Ni 208Pb 270Ds 3.5 pb
64Ni 208Pb 272Ds 15 pb, 9.9 MeV

理論計算[编辑]

衰變特性[编辑]

理論對不同鐽同位素半衰期的估值與實驗結果相符。[46][47]尚未被發現的同位素294Ds的中子數為幻數,其α衰變半衰期預計長達311年。[48][49]

蒸發殘留物截面[编辑]

下表列出各種目標-發射體組合,並給出最高的預計產量。

MD:多面;DNS:雙核系統;σ:截面

目標 發射體 CN 通道(產物) σmax 模型 參考資料
208Pb 64Ni 272Ds 1n (271Ds) 10 pb DNS [50]
232Th 48Ca 280Ds 4n (276Ds) 0.2 pb DNS [51]
230Th 48Ca 278Ds 4n (274Ds) 1 pb DNS [51]
238U 40Ar 278Ds 4n (274Ds) 2 pb DNS [51]

化學屬性[编辑]

推算的化學屬性[编辑]

氧化態[编辑]

鐽預計將是6d系的第8個過渡金屬,是元素週期表10族最重的成員,位於的下面。鉑的最高氧化態為+6,但鎳和鈀則具有穩定的+4和+2態。因此鐽的氧化態預計將會是+6、+4和+2。

化學特性[编辑]

鐽的同族元素從上到下高價態越來越穩定,因此鐽可能會形成穩定的六氟化物DsF6以及DsF5和DsF4和三氧化物DsO3鹵素應該能夠與鐽形成四鹵化物,DsCl4、DsBr4和DsI4。和其他10族元素一樣,鐽預計可以有較高的硬度和催化性。

注释[编辑]

  1. ^ 核物理学中,如果一个元素有高原子序,就可以被称为重元素。82号元素就是重元素的例子。“超重元素”这一词通常指原子序大于103的元素(尽管也有其它的定义,例如原子序大于100[5]或112。[6]有时这一词和锕系后元素是同义词,将超重元素的上限定在还未发现的超锕系元素的开始。)[7](那个元素的)“超重同位素”和“超重核素”顾名思义——分别是(那个元素的)高质量同位素和高质量的核素。
  2. ^ 2009年,由尤里·奥加涅相引领的团队在JINR发表了他们通过对称的136Xe + 136Xe反应,尝试合成钅黑的结果。他们未能在这个反应中观察到单个原子,因此对截面设置了上限,即核反应概率的度量为2.5 pb[8]作为比较,发现钅黑的反应208Pb + 58Fe的截面约为20 pb(进一步来说,为19+19
    -11
     pb),符合发现者的预测。[9]
  3. ^ 这个值也标志着普遍接受的复合原子核寿命上限。[16]
  4. ^ 这种分离是基于产生的原子核会比未反应的粒子束更慢地通过目标。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。[18]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这种分离,两者结合可以估计原子核的质量。[19]
  5. ^ 不是所有放射性衰变都是因为静电排斥力导致的。举个例子,β衰变弱核力导致的。[23]
  6. ^ 由于原子核的质量不是直接测量的,而是根据另一个原子核的质量计算得出的,因此这种测量称为间接测量。直接测量也是有可能的,但在大多数情况下,它们仍然无法用于超重原子核。[24]2018年,LBNL首次直接测量了超重原子核的质量,[25]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)。[26]
  7. ^ 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。[27]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。
  8. ^ 自发裂变是由苏联科学家格奥尔基·弗廖罗夫发现的。[28]LBL的科学家们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。[16]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。[28]
  9. ^ 举个例子,1957年,元素102在瑞典斯德哥尔摩省斯德哥尔摩的诺贝尔物理研究所被错误地鉴定。[29]早先没有关于该元素发现的明确声明,所以由它的瑞典、美国和英国发现者命名为nobelium。后来证明这个元素的鉴定是错误的。[30]第二年,RL无法重现瑞典的结果,而是宣布他们合成了该元素,这一说法后来也被驳回。[30] JINR坚持认为他们是第一个发现该元素的人,并为新元素建议命名为joliotium[31]而这个名称也没有被接受(JINR后来认为元素102的命名是仓促的)。[32]这个名称是在IUPAC对元素发现优先权的裁决的书面答复中提出的,该裁决于1992年9月29日签署。[32]但由于其广泛使用,“nobelium”这个名称仍然保持不变。[33]

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 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. 
  2. ^ Östlin, A.; Vitos, L. First-principles calculation of the structural stability of 6d transition metals. Physical Review B. 2011, 84 (11). Bibcode:2011PhRvB..84k3104O. doi:10.1103/PhysRevB.84.113104. 
  3. ^ Chemical Data. Darmstadtium - Ds, Royal Chemical Society
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參考書目[编辑]

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外部連結[编辑]