学年教科版高中物理选修35教案设计量子概念的诞生光电效应与光的量子说.docx
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学年教科版高中物理选修35教案设计量子概念的诞生光电效应与光的量子说
第四章波粒二象性
1 量子概念的诞生
2 光电效应与光的量子说
一、热辐射、黑体与黑体辐射
1.热辐射
我们周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关.
2.黑体
指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生全反射的物体.
3.一般材料物体的辐射规律
辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关.
4.黑体辐射的实验规律
黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,如图所示.
(1)随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加.
(2)随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.
在火炉旁边有什么感觉?
投入炉中的炭块颜色怎样变化?
说明了什么问题?
提示:
我们靠近火炉时,马上会感到热,这是由于炉中燃烧的炭块在向外辐射能量.我们观察投入炉中炭块的颜色,当温度较低时,炭块呈暗红色,随着温度的不断升高,它变得赤红,橙红,到最后由黄色变成白色,这表明炭块是以电磁波的形式向外辐射能量,而且在不同温度下辐射强度按电磁波波长有不同的分布.
二、能量子
1.定义
普朗克认为,振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的,这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子.
2.能量子大小
ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h称为普朗克常量.h=6.626×10-34J·s(一般取h=6.63×10-34J·s).
3.能量的量子化
在微观世界中能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的.
三、光电效应的实验规律
1.光电效应
照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象.
2.光电子
光电效应中发射出来的电子.
3.爱因斯坦对光电效应的解释
(1)存在着饱和光电流:
在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大.这表明对于一定颜色的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多.
(2)存在着遏止电压和截止频率:
光电子的最大初动能与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关.当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应.
(3)光电效应具有瞬时性:
光电效应几乎是瞬时发生的,从光照射到产生光电流的时间不超过10-9s.
4.逸出功
使电子脱离某种金属所做功的最小值.
不同金属的逸出功不同.
将锌板与验电器连在一起,然后用紫外线灯照射锌板,会发现一个奇妙的现象,验电器的指针发生了偏转,这一现象说明锌板在紫外线照射下带电了.为什么会这样呢?
提示:
这一现象就是著名的光电效应现象,进一步的研究表明,在光照的情况下,从锌板上有电子逸出,锌板带上了正电荷.
四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程
1.光子说
光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,频率为ν的光的能量子为hν,这些能量子被称为光子.
2.爱因斯坦的光电效应方程
(1)表达式:
hν=
mv2+A.
(2)物理意义:
金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分用于克服金属的逸出功A,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek.
考点一 黑体辐射的规律
(1)对黑体的理解:
绝对的黑体实际上是不存在的,但可以用某装置近似地代替.如图所示,如果在一个空腔壁上开一个小孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,这个小孔就成了一个绝对黑体.
(2)对黑体辐射的理解:
任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的本领.辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布.这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称为热辐射.
(3)一般物体与黑体的比较:
(4)对热辐射的理解
①在任何温度下,任何物体都会发射电磁波,并且其辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同,这是热辐射的一种特性.
在室温下,大多数物体辐射的是不能引起视觉的波长较长的电磁波——红外光;但当物体被加热到500℃左右时,开始发出暗红色的可见光.随着温度的不断上升,辉光逐渐亮起来,而且热辐射中较短波长的成分越来越多,即能引起视觉的电磁波越来越多,大约在1500℃时变成明亮的白炽光.
这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的,而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高.
②在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同.例如,将钢加热到约800℃时,就可观察到明亮的红色光,但在同一温度下,熔化的水晶却不辐射可见光.
【例1】 (多选)下列叙述正确的是( )
A.一切物体都在辐射电磁波
B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
D.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
根据热辐射的定义及黑体辐射的实验规律直接判断即可.
【解析】 根据热辐射的定义,A正确;因为一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料种类和表面状况有关,而黑体辐射只与黑体的温度有关,故B错误,C正确;根据黑体的定义知D正确.
【答案】 ACD
总结提能黑体同其他物体一样也在辐射电磁波,黑体的辐射规律最为简单,黑体辐射强度只与温度有关.
下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射规律的是( A )
解析:
根据黑体辐射的规律,温度越高,辐射强度越大,辐射出的波频率高的比例增大,即波长小的波比例增大,故选A.
考点二 能量子的理解和计算
1.能量子:
超越牛顿的发现
(1)普朗克的量子化假设:
①能量子:
振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍.例如,可能是ε或2ε、3ε……当带电微粒辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的.这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子;②能量子公式:
ε=hν,ν是电磁波的频率,h是一个常量,称为普朗克常量,其值h=6.63×10-34J·s;③能量的量子化:
在微观世界中能量不能连续变化,只能取分立值,这种现象叫做能量的量子化.
(2)能量子假说的实验证实:
普朗克公式与实验结果比较,发现它与实验结果“令人满意地相符”.
如图所示,曲线是根据普朗克的公式作出的,小圆代表实验值.
(3)普朗克的能量子假说的意义:
普朗克的能量子假说,使人类对微观世界的本质有了全新的认识,对现代物理学的发现产生了革命性的影响.
2.能量的量子化
微观粒子的能量与宏观世界的能量的认识不同.例如,一个宏观的弹簧振子,把小球推离平衡位置后开始振动,能量为E.第二次我们可以把它推得稍远一些,使它振动的能量稍多一些,例如1.2E或1.3E.推得更远,能量更大.弹簧振子的能量不是某一个最小值的整数倍.只要在弹性限度内,我们可以把小球推到任何位置,其能量可以是任何值.即对弹簧振子的能量,我们说能量值是连续的;而普朗克的假说则认为,微观粒子的能量是量子化的,或说微观粒子的能量是分立的.
【例2】 一盏电灯发光功率为100W,假设它发出的光向四周均匀辐射,光的平均波长λ=6.0×10-7m,在距电灯10m远处,以电灯为球心的球面上,1m2的面积每秒通过的光子(能量子)数约为( )
A.2×1017 B.2×1016
C.2×1015D.2×1023
1.每个光子的能量是多少?
2.电灯每秒钟产生的光能是多少,这些光能包含多少个光子?
【解析】 光是电磁波,辐射能量也是一份一份进行的,100W灯泡每秒产生光能E=100J,设电灯每秒发出的光子数为n,E=nhν=nh
,在以电灯为球心的球面上,1m2的面积每秒通过的光子(能量子)数n′=
,n′=
=
≈2×1017(个).
【答案】 A
总结提能此类题一定要注意空间想象能力,并把画面想象出来.同时要注意关键字眼,如“每秒”“1m2”的理解.
太阳光垂直射到地面上时,地面上1m2接收的太阳光的功率是1.4kW,其中可见光部分约占45%.
(1)假设认为可见光的波长约为0.55μm,日地间距离R=1.5×1011m.普朗克常量h=6.6×10-34J·s,估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少?
(2)若已知地球的半径为6.4×106m,估算地球接收的太阳光的总功率.
答案:
(1)4.9×1044个
(2)1.8×1014kW
解析:
(1)设地面上垂直阳光的每平方米面积上每秒接收的可见光光子数为n,则有P×45%=nh
.解得:
n=
=
个·m-2=1.75×1021个·m-2.
则所求可见光光子数N=n·4πR2=
1.75×1021×4×3.14×(1.5×1011)2=4.9×1044(个).
(2)地球接收阳光的总功率P地=Pπr2=1.4×3.14×(6.4×106)2kW≈1.8×1014kW.
考点三 光电效应现象及其实验规律
1.光电效应
如图所示,用紫外线灯照射锌板,与锌板相连的验电器就带正电,即锌板也带正电,这说明锌板在光的照射下发射了电子.
(1)定义:
在光的照射下物体的电子逸出的现象,叫做光电效应,逸出的电子叫做光电子.
(2)光电效应的实验电路
实验电路如图所示,阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极,K在受到光照时能够发射光电子,电源加在K与A之间,其电压通过分压电路可调,正负极可以对调.电源按图示极性连接时,阳极A吸收阴极K发射的光电子,在电路中形成光电流,电流表可测量光电流.
2.光电效应的实验规律
(1)实验结果
①饱和电流
在入射光的强度与频率不变的情况下,I-U的实验曲线如图所示.曲线表明,当加速电压U增加到一定值时,光电流达到饱和值Im.这是因为单位时间内从阴极K逸出的光电子全部到达阳极A.若单位时间内从阴极K上逸出的光电子数目为n,则饱和电流Im=ne.式中e为一个电子的电荷量,另一方面,当电压U减小到零,并开始反向时,光电流并没有降为零,这就表明从阴极K逸出的光电子具有初动能.所以尽管有电场阻碍它们运动,仍有部分光电子到达阳极A.
②遏止电压
当反向电压等于Uc时,就能阻止所有的光电子飞向阳极A,使光电流降为零,这个电压叫遏止电压,它使具有最大初速度的电子也不能到达阳极A.如果不考虑在测量遏止电压时回路中的接触电势差,那么我们就能根据遏止电压Uc来确定电子的最大初速度和最大初动能,即Ekm=
mv
=eUc.
③光的频率相同时,光电子的最大初动能相同
在用相同频率不同强度的光去照射阴极K时,得到的I-U曲线如图1所示.它显示出对于不同强度的光,Uc是相同的.这说明同频率、不同强度的光所产生的光电子的最大初动能是相同的.
④截止频率(极限频率)
用不同频率的光去照射阴极K时,实验结果是:
频率越高,Uc越大,如图2所示;并且ν与Uc呈线性关系,如图3所示.频率低于νc的光,不论强度多大,都不能产生光电子,因此,νc称为截止频率,对于不同的材料,截止频率不同.
(2)实验规律
①饱和电流Im的大小与入射光的强度成正比,也就是单位时间内逸出的光电子数目与入射光的强度成正比.
②光电子的最大初动能(或遏止电压)与入射光线的强度无关(如图1所示,图中IO1、IO2、IO3表示入射光强度),而只与入射光的频率有关.频率越高,光电子的初动能就越大(见图3).
③频率低于νc的入射光,无论光的强度多大,照射时间多长,都不能使光电子逸出.
④光的照射和光电子的逸出几乎是同时的,在测量的精度范围内(<10-9s)观察不出这两者间存在滞后现象.
【例3】 利用光电管研究光电效应实验,如图所示,用频率为ν1的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过,则( )
A.用紫外线照射,电流表中不一定有电流通过
B.用红外线照射,电流表中一定无电流通过
C.用频率为ν1的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑动触头移到a端,电流表中一定无电流通过
D.用频率为ν1的可见光照射阴极K,当滑动变阻器的滑动触头向b端滑动时,电流表示数可能不变
光电效应实验中发现,入射光的频率越高,越易发生光电效应,且光电流达到最大值时,不会再增大.
【解析】 因为紫外线的频率比可见光的频率高,所以用紫外线照射时,电流表中一定有电流通过,A错误.因为不知道阴极K的截止频率,所以用红外线照射时,不一定发生光电效应,B错误.即使UAK=0,电流表中也有电流,C错误.当滑动触头向b端滑动时UAK增大,阳极A吸收光电子的能力增强,光电流会增大,当射出的所有光电子都能到达阳极A时,光电流达到最大,即饱和电流,若在滑动前,光电流已经达到饱和电流,那么再增大UAK,光电流也不会增大,D正确.故正确答案为D.
【答案】 D
总结提能理解好实验现象,理解好光电效应发生的条件是解题的关键.
在演示光电效应的实验中,原来不带电的一块锌板与灵敏验电器相连,用弧光灯照射锌板时,验电器的指针张开了一个角度,如图所示,这时( B )
A.锌板带正电,指针带负电
B.锌板带正电,指针带正电
C.锌板带负电,指针带负电
D.锌板带负电,指针带正电
解析:
发生光电效应时有电子从锌板上跑出来,使锌板及验电器的指针都带正电,B正确.
考点四 光电效应方程的理解和应用
1.光子说
(1)内容:
光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,这些能量子称为光子.
(2)公式:
光子的能量ε=hν,h为普朗克常量,ν为光的频率,h=6.626×10-34J·s.
2.光电效应方程
(1)表达式:
Ek=hν-W0.
(2)理解:
①在光电效应中,金属中的电子吸收一个光子的能量hν,这些能量中的一部分用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的初动能Ek.
②光电效应方程包含了产生光电效应的条件:
Ek=hν-W0>0,亦即hν>W0,ν>
=νc,而νc=
就是金属的截止频率.
(3)最大初动能Ek
发生光电效应时,电子克服金属原子核的引力逸出时,具有的动能大小不同,金属表面上的电子吸收光子后直接逸出时具有的动能最大,称为最大初动能,用Ek表示.即逸出的电子动能在0~Ek之间.
3.光电效应曲线
(1)Ek-ν曲线
①爱因斯坦光电效应方程表明,光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν成线性关系,与光强无关,如图所示,由光电效应方程知,当hν>W0时,Ek>0,即有电子逸出,截止频率νc=
.
②电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电流自然几乎是瞬时产生的.
③光强较大时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和电流大,所以饱和电流与光强成正比.
根据光电效应方程知:
Ek=hν-W0,光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν呈线性关系,即Ek-ν图象是一条直线.上图是光电子最大初动能Ek随入射光频率ν的变化曲线.横轴上的截距是阴极金属的截止频率或极限频率;纵轴上的截距,是阴极金属的逸出功负值;斜率为普朗克常量.
(2)I-U曲线
右图所示的光电流强度I随光电管两极板间电压U的变化曲线中,Im为饱和光电流,Uc为遏止电压.
(1)利用eUc=
mev
可得光电子的最大初动能Ekm.
(2)利用Ek-ν图线可得极限频率νc和普朗克常量h.
4.光子说对光电效应规律的解释
(1)由于光的能量是一份一份的,那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量.而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为.如果光的频率低于截止频率,则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚,就不能发生光电效应.
(2)当光的频率高于截止频率时,能量传递给电子以后,电子摆脱束缚要消耗一部分能量,剩余的能量以光电子的动能形式存在,这样光电子的最大初动能Ek=
mev
=hν-W0,其中W0为金属的逸出功,因此光的频率越高,电子的初动能越大.
(3)电子接收能量的过程极其短暂,接收能量后的瞬间立即挣脱束缚,所以光电效应的发生也几乎是瞬间的.
(4)发生光电效应时,单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比,光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多,那么逸出的光电子数目也就越多.
【例4】 (多选)下列对光电效应的解释,正确的是( )
A.金属内的每个电子要吸收一个或一个以上的光子,当它积累的能量足够大时,就能逸出金属表面
B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功,便不能发生光电效应
C.发生光电效应时,入射光越强,光子的能量就越大,光电子的最大初动能就越大
D.由于不同金属的逸出功是不相同的,因此使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同
1.根据光子说的内容可知,光子的能量由谁决定,与光的强度是否有关?
2.金属表面的电子成为光电子,要克服哪些力而做功,需要的能量从哪儿获得?
【解析】 根据爱因斯坦的光子说,光的能量是由光的频率决定的,与光强无关.入射光的频率越大,发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大.但要使电子离开金属表面,必须使电子具有足够的动能,而电子的动能只能来源于入射光的光子能量,但每个电子只能吸收一个光子,不能吸收多个光子.因此当入射光的频率低于截止频率时,即使照射时间足够长,也不会发生光电效应.使电子脱离某种金属所做功的最小值,叫做这种金属的逸出功,不同金属的逸出功不同.故正确答案为B、D.
【答案】 BD
总结提能光电效应规律中的两条线索、两个关系
(1)两条线索:
(2)两个关系:
光强→光子数目多→发射光电子多→光电流大;
光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大.
现有a、b、c三束单色光,其波长关系为λa>λb>λc,用b光束照射某种金属时,恰能发生光电效应.若分别用a光束和c光束照射该金属,则可以断定( A )
A.a光束照射时,不能发生光电效应
B.c光束照射时,不能发生光电效应
C.a光束照射时,释放出的光电子数目最多
D.c光束照射时,释放出的光电子的最大初动能最小
解析:
由a、b、c三束单色光的波长关系λa>λb>λc,及波长、频率的关系知:
三束单色光的频率关系为:
νa<νb<νc.故当b光恰能使金属发生光电效应时,a光必然不能使该金属发生光电效应,c光必然能使该金属发生光电效应,A正确,B错误;又因为发生光电效应时释放的光电子数目与光照强度有关,光照越强,光电子数目越多,由于光照强度未知,所以光电子数目无法判断,C错误;而光电子的最大初动能与入射光频率有关,频率越高,最大初动能越大,所以c光照射时释放出的光电子的最大初动能最大,D错误,故答案为A.
重难疑点辨析
光电效应问题的分析方法
有关光电效应的问题主要有两个方面:
一个是关于光电效应现象的判断,另一个就是运用光电效应方程进行简单的计算.解题的关键在于掌握光电效应规律,明确概念之间的决定关系.即有:
2.应用爱因斯坦光电效应方程解题的步骤:
(1)分析光电效应现象,根据需要建立光电效应方程,或画出光电效应方程所对应的图象.
(2)根据eUc=
mv
求出最大初动能.
(3)根据饱和光电流与照射光频率的关系图象得到材料恰能产生光电效应时照射光的频率ν0,由hν0=W0可得逸出功.
(4)联立以上各式求解未知物理量.
【典例】 用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应,可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图象.已知钨的逸出功是3.28eV,锌的逸出功是3.24eV,若将二者的图线画在同一个Ek-ν坐标图中,用实线表示钨、虚线表示锌,则正确反映这一过程的图是如图所示中的( )
【解析】 依据光电效应方程Ek=hν-W可知,Ek-ν图线的斜率代表了普朗克常量h,因此钨和锌的Ek-ν图线应该平行.图线的横轴截距代表了极限频率νc,而νc=
,因此钨的νc大些.综上所述,B图正确.
【答案】 B
本题最大的特点是利用数学图象解决物理问题.不能把物理问题转化为数学问题,再利用数学函数关系解决物理问题是最易出现的错误.只有在理解光电效应方程的基础上,把其数学关系式与数学函数图象结合起来,经分析、推导得出图象的斜率及在图象横、纵坐标轴上的截距所对应的物理量,从而理解它们的物理意义,有效提高自身应用数学解决物理问题的能力.
1.能正确解释黑体辐射实验规律的是( B )
A.能量的连续经典理论
B.普朗克提出的能量量子化理论
C.以上两种理论体系任何一种都能解释
D.牛顿提出的能量微粒说
解析:
根据黑体辐射的实验规律,随着温度的升高,一方面各种波长的辐射强度都增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,只能用普朗克提出的能量量子化理论才能得到较满意的解释,故选项B正确.
2.(多选)关于普朗克“能量量子化”的假设,下列说法正确的是( AD )
A.认为带电微粒辐射或吸收能量时,是一份一份的
B.认为能量值是连续的
C.认为微观粒子的能量是量子化的、连续的
D.认为微观粒子的能量是分立的
解析:
普朗克的理论认为带电微粒辐射或吸收能量时,是一份一份的,微观粒子的能量是量子化的,是分立的,故选项A、D正确.
3.(多选)光电效应实验的装置如图所示,则下列说法中正确的是( AD )
A.用紫外线照射锌板,验电器指针会发生偏转
B.用红色光照射锌板,验电器指针会发生偏转
C.锌板带的是负电荷
D.使验电器指针发生偏转的是正电荷
解析:
紫外线频率大于锌板的极限频率,故锌板会发生光电效应,向外放出光电子,从而使锌板和验电器带上正电荷,所以A、D正确.
4.(多选)在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是( BC )
A.若νa>νb,则一定有Ua B.若νa>νb,则一定有Eka>Ekb C.若Ua D.若νa>νb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb 解析: 设该金属的逸出功为W,根据爱因斯坦光电效应方程有Ek=hν-W,同种金属的W不变,则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大,B项正确;又Ek=eU,则最大初动能与遏止电压成正比,C项正确;根据上述有eU=hν-W,遏止电压U随ν增大而增大,A项错误;又有hν-Ek=W,W相同,则D项错误. 5.如图所示,擦得很亮的绝缘锌板A水平固定放置,其下方水平放有接地的铜板B,两板间距离为d,两板面积均为S,正对面积为S′,且S>S′.当用弧光灯照射锌板上表面后,A、B板间一带电液滴恰好处于静止状态.试分析: (1)液滴带何种电荷? (2)用弧光灯再照射A板上表面,液滴做何种运动? (3)要使液滴向下运动,应采取哪些措施? (一种即可) 答案: (1)负电 (2)向上运动 (3)将B板向右平移 解析: (1)锌板受弧光灯照射发生光电效应,有光电子从锌板A的上表面逸出,而使A板带正电荷,接地的铜板B由于静电感应而带负电,A、B板间形成方向向下的匀强电场,由液滴处于静止状态知qE=mg,所以液滴带负电. (2)当再用弧光灯照射A板上表面时,光电效应继续发生,使A板所带正电荷增加,A、B板间场强增强,所以qE>mg,使液滴向上运动. (3)要使液滴向下运动,即mg>qE,mg和q不变,则必须使E变小.因A板电荷量Q不变,则当B板向右移动,增大两板正对面积时,电容增大,两板间电
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