1. Trabalho da Disciplina Evolução dos Conceitos e Teorias da Física
A HISTÓRIA DA
FÍSICA DAS
RADIAÇÕES
Cristian W. de Souza
Novembro, 21 - 2022
Prof. Dra. Irinéa de Lourdes Batista
2. Introdução
Desde a teoria eletromagnética e da teoria da termodinâmica, a física tem tomado caminhos
rumo à novas descobertas e novas teorias teorias físicas da chamada Física Moderna. Uma
dessas áreas é a teoria das radiações, também chamada de Física das Radiações ou Física
Radiológica.
Radiação é energia em trânsito, é a forma da energia se propagar, emitida de uma fonte e
transmitida através do vácuo, do ar ou de materiais (OKUNO; YOSHIMURA, 2010, p.11)
Desde a menor frequência do espectro eletromagnético até a maior, podemos considerar meios
de propagação de energia, sendo os de menor frequência os raios não-ionizantes e os de maior
frequência os raios ionizantes.
Ionização é um processo químico através do qual uma molécula ou átomo passa a possuir ou
perder elétrons.
4. Em 1878, o físico e químico britânico William Crookes
desenvolveu um experimento emitindo feixes de elétrons dentro
de um tubo parcialmente no vácuo em uma placa positivamente
carregada usando um eletrodo, através do qual os raios
catódicos foram descobertos.
O tubo de Crookes e a Descoberta dos Elétrons
Em 1887, o físico britânico John Joseph Thomson, executou um
experimento utilizando o tubo de Crookes e descobriu que os raios
catódicos eram independentes dos gás e do metal do eletrodo. À
partir dessa conclusão, Thomson pôde descobrir o elétron, o que
lhe concedeu um Prêmio Nobel de Física em 1906.
5. Experimento de tubos catódicos realizado por Crookes, emitindo feixes de
elétrons dentro de um tubo.
6. Rontgen foi capaz de observar uma
luminescência fraca, quase imperceptível,
ao aplicar uma diferença de potencial
entre os eletrodos do tubo. Ao apagar a
luz, ele observou que a placa de vidro
coberta com platino cianeto de bário
também luminescia. Sendo assim,
resolveu colocar um livro entre o tubo, em
seguida, sua mão.
O físico concluiu que não poderia ser fruto dos raios catódicos, já que estes
possuíam um grau de penetração no ar muito baixa, e Rontgen havia observado
que essa luz era capaz de atravessar sua mão e diversos outros materiais de
testes que ele utilizou. Sendo assim, ele concluiu que o tubo emitia raios muito
potentes, que eram desconhecidos, mas eram capazes de atravessar até mesmo
o corpo humano.
7. Esses raios têm a propriedade de excitar substâncias fosforizantes e
fluorescentes, impressionam placas fotográficas e aumentam a condutividade
elétrica do ar que atravessam. Como eram de natureza desconhecida, foram
denominados de Radiação X ou Raios X (CNEN, 2015, p.5). Muito utilizado na
medicina atualmente.
8. A Primeira Radioagrafia
Atualmente é muito comum a aplicação de aparelhos de raios
x na medicina, nas ciências forenses e em outras áreas. Sua
primeira aplicação foi feita por Roentgen, o mesmo que
descobriu os raios x, no dia 22 de dezembro de 1895, 45 dias
após a descoberta (OKUNO, 2007, p.6).
Certo de que havia descoberto algo
interessante, Roentgen convenceu sua
esposa, a suíça Anna Bertha Ludwig, de
ajudá-lo na compreensão daquele novo
fenômeno. Posicionando sua mão por 15
minutos no trajeto dos raios e sobre uma
chapa fotográfica. Este foi o primeiro
“rontenograma” (EINSENBERG, 1995
Apud FRANCISCO et al., 2005).
10. A descoberta dos raios-X repercutiu o mundo da física nas primeiras semanas
de janeiro de 1896 (ROMER, 1964).
A imagem intrigou inúmeros físicos da Europa que buscavam compreender como
era possível visualizar os ossos das mãos numa chapa fotográfica e quais
fenômenos físicos se envolviam naquela descoberta.
Em 20 de janeiro, dois físicos chamados
Paul Oudin e Toussaint Barthélemy
submeteram uma pioneira fotografia de
raios-x dos ossos das mãos para a
inspeção da Academia de Ciências de
Paris.
11.
12. Jules Henri Poincaré buscava entender os
estudos feitos por Rontgen e os seus
experimentos executados. Sendo assim,
em 1896, na Academia de Ciências de
Paris e na “Revue Génerale des Sciences”,
Poincaré apresentou os resultados desses
estudos (CNEN, 2015, p.5). Porém,
inspirado na apresentação de Poincaré,
alguns dias depois, o físico Antoine Henri
Becquerel publicou um artigo sobre a
radiação emitida na fosforescência, em 24
de fevereiro de 1896.
13. Becquerel e os Sais de Urânio
Já quase no final do século 19, Claude Felix Abel Niepce
de Saint Victor enunciou que radiações emitidas por um sal
de urânio impressionavam uma chapa fotográfica (CNEN,
2015, p.5).
Em 1896, o físico francês Antoine
Henri Becquerel, entusiasmado com a
apresentação de Poincaré, passa a se
dedicar sobre seus estudos e os
efeitos da fluorescência e
fosforescência
14. Becquerel colocou certa quantidade de sulfato de urânio e potássio, um sal de
urânio sobre uma placa fotográfica embrulhada em papel preto, expondo o
conjunto à luz solar durante vários dias. Quando o filme foi revelado, a posição
do mineral ficou claramente marcada com manchas escuras (OKUNO, 2007).
Impressionando a chapa fotográfica.
Este artigo se chamava Sobre a
Radiação Emitida na Fosforescência.
Neste artigo, Becquerel descreve que o
sulfeto de cálcio fosforescente emitia
radiação que penetrava em substâncias
opacas. Também descreve que
substâncias fosforescentes,
principalmente os sais de urânio, tinham
uma duração curta.
15. Entretanto, um desses dias o céu ficou nublado e o cientista teve que guardar o
experimento em sua gaveta, na ausência de luz. Passado um tempo, ao revelar
a chapa fotográfica que havia colocado o experimento com sais de urânio,
Becquerel teve uma surpresa, pois ele observou que as manchas na chapa
estavam ainda mais escura comparadas àquelas que o cientista deixou
expostas ao Sol.
16. No dia 2 de março de 1896, Becquerel publica mais um artigo ampliando ainda
mais os estudos executados pelo experimento anterior, dessa vez, buscando
entender essa radiação invisível. Este artigo se chamava Sobre as Radiações
Invisíveis Emitidas por Substâncias Fosforescentes.
Nesse estudo é relatado que Becquerel
continuou seus estudos sobre essas sombras
causadas, acreditada até então pelo físico, ser
pela luz solar, embrulhando os sais de urânio em
papel preto.
17. Becquerel ainda publica mais dois artigos
sobre:
23/03/1986 - Sobre a Radiação Invisível Emitida pelos
Sais de Urânio
Becquerel investiga as propriedades dessa radiação, na
qual, buscava entender as propriedades de corpos
eletricamente descarregados.
23/03/1986 - Emissão da Nova Radiação por Urânio
Metálico
O urânio sempre emitia raios penetrantes, sendo de caráter
fluorescente ou não, sendo na luz ou na escuridão, se dissolvido na
água ou isolado em Moissan puro e metal incombinável, o mesmo
comportamento independente da variável.
18. Os Curie’s e a Descoberta da Radioatividade
Quando iniciou sua tese de doutorado. Marie investigava
os “raios de Becquerel” e não demorou muito para
perceber que o fenômeno observado não podia ser
específico do urânio, dando à ela a ideia de investigar
outros materiais que pudessem ter a mesma propriedade
(OKUNO, 2007, p.8).
Para Marie Curie, o urânio não poderia ser o único
elemento a possuir esse comportamento,
executou experimentos parecidos com outros
elementos químicos da tabela periódica
determinados até então.
19. Os Curie’s e a Descoberta da Radioatividade
Além dos Curie’s, cientistas como Kelvin, Beatle, Smoluchwski, Elster, Geitel,
Schmidt etc. estudaram os “raios de Becquerel”. Karl Genrikovich Schmidt, médico e
químico russo, inclusive, descobriu na Alemanha que o tório apresentava
propriedades radioativas, tal como o urânio (CNEN, 2015, p.6).
O casal purificava minérios de urânio, principalmente a
“pechblenda”, fervendo em fogão de ferro fundido.
20. Os Curie’s descobriram 2 elementos:
Julho de 1898 - Polônio
300x mais ativo que o urânio.
Dezembro de 1898 - Rádio
900x mais ativo que o urânio.
21. PRÊMIO NOBEL DE FÍSICA EM 1903
Marie S. Curie Pierre Curie
Antoine Henri
Becquerel
22. Os Curie’s e a Descoberta da Radioatividade
Em janeiro de 1902, Pierre Curie e Marie Curie publicam um artigo chamado Sobre
Substâncias Radioativas, onde explicavam as ideias que os levaram a estudar os
raios de Becquerel e sua descoberta. Eles tomaram a radioatividade como uma
propriedade atômica da substância, e que cada átomo de uma substância radioativa
possui funções como uma fonte de energia constante.
Mas em 1906, Pierre sofreu um trágico
acidente e veio a falecer. Então, Marie
Curie assumiu seu posto de professora
de Física na Universidade de Sorbonne,
se tornando a primeira mulher professora
e pesquisadora da instituição (FRAZÃO,
2021; VERSANT PHYSICS, 2021).
23. Os Curie’s e a Descoberta da Radioatividade
Em 1910, Marie Curie foi capaz de produzir rádio como um metal puro, experimento
que atestava com solidez a existência desse elemento. Por esse motivo, Marie Curie
recebeu seu segundo Prêmio Nobel, sendo este de Química, no ano de 1911,
passando a ser não só a primeira mulher a ganhar um Prêmio Nobel (1903), mas
também a primeira pessoa a ganhar dois Prêmios desse porte (VERSANT PHYSICS,
2021; THE NOBEL PRIZE, 2022).
Pioneira no uso da radiologia na Medicina, como
diretora do Serviço de Radiologia da Cruz
Vermelha, treinando mais de 150 mulheres para
operar os equipamentos e criou os “Petite Curie”,
pequenos veículos contendo uma máquina de
raios-X.
24. Os Curie’s e a Descoberta da Radioatividade
Irène Joliot-Curie, física e química pela Universidade de
Paris, que ao lado do marido, o engenheiro químico
Frederic Joliot, foi responsável por executar experimentos
que levou a criação da radioatividade artificial,
transmutação de elementos e bases da física nuclear. Por
conta de tal feito, Irène e seu marido Frederic foram
laureados com o Prêmio Nobel de Química em 1935,
reconhecidos pela aplicação prática na radioquímica, na
medicina e no tratamento da tireoide (VERSANT
PHYSICS, 2021; THE NOBEL PRIZE, 2022).
26. Embora fascinante, a natureza da radioatividade ainda não era compreendida.
Nessa época, os modelos atômicos estavam sendo desenvolvidos. Era sabido que
a radioatividade era emitida de alguns materiais, mas ainda se desconhecia sua
natureza e origem.
No final do século 19 para início do século 20, era discutido do que a matéria era
constituída. Surgiram dois principais modelos atômicos:
Modelo Atômico Planetário (Saturnino)
Proposto em 1903 pelo físico
japonês Hantaro Nagaoka.
Modelo Atômico “Pudim de Ameixas”
Proposto em 1904 pelo físico
britânico Joseph John Thomson.
27. Rutherford e a Descoberta das Partículas α e β
Em 1899, o físico e químico neozelandês Ernest
Rutherford executou um experimento que levaria a
descoberta das partículas α e β, que seriam importantes
para o entendimento da luz e dos decaimentos
radioativos, que levariam aos estudos da transmutação.
O estudo buscava entender como a radiação penetrava
lâminas de alumínio.
Ernest Rutherford
28. Rutherford e a Descoberta das Partículas α e β
Fonte radioativa emitindo radiação sob três materiais: papel, placa de alumínio e chapa de
chumbo.
29. Rutherford e a Descoberta das Partículas α e β
Fonte radioativa emitindo radiação sofrendo colisão com os materiais e com desvios em relação às
placas eletricamente carregadas.
30. Rutherford e o Estudo dos Modelos Atômicos
Em 1909, Rutherford, sugeriu à Johannes (Hans) Wilhelm Geiger e Ernest Marsden,
na época seus discípulos, a executarem um experimento para saberem qual dos dois
modelos era o mais coerente (OKUNO; YOSHIMURA, 2010, p.20-21; DIAS, 2019).
Ernest Rutherford Hans Geiger Ernest Marsden
31. Rutherford e o Estudo dos Modelos Atômicos
Fonte radioativa de polônio emitindo radiação α sob uma folha fina de ouro. Parte da radiação sofria
desvio e parte atravessava.
32. Rutherford e o Estudo dos Modelos Atômicos
As partículas α desviando e atravessando a folha de ouro em escala atômica.
33. Os experimentos de Geiger e Marsden levaram Rutherford a concluir que um
campo elétrico intenso era responsável pela tal deflexão, conforme seu artigo
chamado The Structure of Atom, publicado em 1913 na Nature (v.92, p.423).
Campo ocorria a uma carga positiva concentrada no centro. O núcleo era
positivamente carregado, e o elétron negativamente carregado orbitando.
Modelo Atômico-Nuclear
Proposto em 1911, explicava as
cargas positivas e negativas
em equilíbrio no átomo.
Porém, o modelo ainda era
falho, pois contradizia a física
clássica.
34. Bohr e o Modelo Atômico do Átomo de
Hidrogênio
Em 1913, o físico dinamarquês Niels Hendrick David
Bohr propôs um novo modelo atômico, na qual, o elétron
não irradiava energia enquanto estivesse em sua órbita.
Para Bohr, o elétron mantinha uma órbita estável, na qual
não era necessário um trabalho a mais, o que implicava
que o elétron não emitisse radiação.
Niels Bohr
Porém, experimentos mostraram
que o átomo de hidrogênio
irradiava quando aquecia, e muitos
físicos acreditavam que essa
energia era proveniente do elétron.
35. Bohr e o Modelo Atômico do Átomo de
Hidrogênio
No modelo atômico de Bohr, os elétrons se
distribuem em camadas e são estáveis em suas
órbitas. Como sugestão, o elétron podia assumir
uma posição estável em qualquer lugar das
diferentes distâncias do núcleo atômico.
Órbitas distantes, mais energia,
então o salto emitia energia. Órbitas
mais próximas, menos energia,
então absorvia energia.
36. Rutherford e Soddy e a Natureza da
Transmutação
Em 1902, Rutherford e o químico inglês
Frederick Soddy estudavam a transmutação
da matéria, observando a taxa de
decaimento radioativo do elemento tório
para tório-X a uma taxa constante. À este
fenômeno de decaimento exponencial
radioativo deram o nome de transmutação.
Ernest Rutherford e Frederick Soody
Rutherford e Soddy mostram que a radioatividade
do tório pôde se separar de sua composição por
meios químicos.
37. Rutherford e Soddy e a Natureza da
Transmutação
Tabela de decaimento radioativo do tório
em tório-X por Rutherford e Soddy.
Gráfico de Intensidade por Tempo do
tório por Rutherford e Soddy.
38. Rutherford e Soddy e a Natureza da
Transmutação
A atividade do tório X decrescia muito aproximadamente em uma progressão
geométrica em relação ao tempo, que é representado pela equação.
𝐼𝑡
𝐼0
= 𝑒−𝜆𝑡
E quando se considera do valor mínimo para o máximo:
𝐼𝑡
𝐼0
= 𝐼 − 𝑒−𝜆𝑡
39. Rutherford e Soddy e a Natureza da
Transmutação
Em 1903, Rutherford e Soddy estudam o decaimento dos elementos urânio, tório e
rádio, e descobrem que esses materiais se transformam em outros conforme
decaem em relação ao tempo.
Diagrama de decaimento dos elementos U,
Th e Ra por Rutherford e Soddy.
Observaram que os raios de qualquer
sistema são produzidos no momento que o
sistema muda fortemente pela descoberta
da deflexão elétrica e magnética dos raios-
α. E esses raios consistiam de corpos
positivamente carregados projetados com
grande velocidade (RUTHERFORD; PHIL.
MAG., 1903 Apud ROMER, 1964, p.155).
40. Rutherford e Soddy e a Natureza da
Transmutação
Rutherford e Soddy ainda deduziram a equação da Lei da Mudança Radioativa,
onde o número de íons é proporcional ao número de tais partículas projetadas por
tempo.
Se cada mudança de sistema gera um tipo de raio, o número de sistemas 𝑁𝑡 na
qual permanece inalterada no tempo, a expressão é dado pela equação.
𝑛𝑡
𝑛0
= 𝑒−𝜆𝑡
𝑁𝑡 = න
𝑡
∞
𝑛𝑡. 𝑑𝑡 =
𝑛0
𝜆
𝑒−𝜆𝑡
E, 𝑁0 em t=0:
𝑁0 = 𝑒−𝜆𝑡
𝑁𝑡
𝑁0
= 𝑒−𝜆𝑡
42. A Teoria Quântica da Radiação
Em 1905, o famoso e popular físico alemão Albert Einstein,
publicou um artigo sobre o efeito fotoelétrico, onde propôs que
a radiação eletromagnética poderia ser tratada como um fluxo
de “quanta de luz”, posteriormente denominada de fotón pelo
físico-químico estadunidense Gilbert Newton Lewis, no ano de
1926 (SEGRÉ, 1980, p.81).
Em 1900, o físico alemão Max Karl Ernst
Ludwig Planck estudava sobre a Radiação
de Corpo Negro e a Catástrofe do
Ultravioleta quando deduziu a Lei de
Planck, onde a radiação é emitida ou
absorvida por “pacotes” de energia,
estabelecendo a Física Quântica.
43. A Teoria Quântica da Radiação
Planck relacionou matematicamente a energia de um quantum à frequência da
radiação, onde a energia é diretamente proporcional à frequência da onda:
Sendo h a constante de Planck, que vale aproximadamente a 6,63.10−34𝑚2/𝑘𝑔.s
E= h. f
Enquanto que o efeito fotoelétrico ocorre quando a
luz incidente excita os elétrons livres numa
superfície metálica, causando o deslocamento
desses elétrons. A energia pode ser calculada
usando a equação de energia de Planck.
44. A Teoria Quântica da Radiação
Em 1927, o físico teórico britânico Paul Adrien Maurice
Dirac, desenvolveu a Álgebra Quântica, que explicava
satisfatoriamente a estrutura do espectro de hidrogênio,
introduzindo o termo “spin” para número quântico.
Em 1933, o físico italiano Enrico
Fermi, formulou uma teoria do
decaimento β baseada nessa
partícula. Fermi o chamou de neutrino
(neutrinho em italiano), estudando o
trabalho de Paul Dirac.
45. A Teoria Quântica da Radiação
Para explicar o decaimento β, Fermi introduziu uma nova interação fundamental,
a força de interação fraca ou interação de Fermi como ficou conhecida. A nova
teoria de Fermi explica a forma do espectro β, a meia-vida do decaimento beta e
muitas outras características de tais decaimentos. A força nuclear fraca é
responsável por sintetizar os elementos químicos (SEGRÉ, 1980).
47. Outras Contribuições
Curie e Laborde e o Estudo do Aquecimento Espontâneo
Ramsay e Soddy e os Gases Obstruídos
Wu e a Lei da Conservação da Paridade
Lamarr e a Invenção do Wi-Fi
A Invenção do Aparelho de Microondas
Hertz e a Descoberta das Ondas de Rádio
Física das Radiações e a Saúde
Física das Radiações e a Astronomia
Física das Radiações e a Agricultura e Ciências dos Solos
Física das Radiações e as Ciências Forenses
Física das Radiações e a Arqueometria e Paleontologia
48. Conclusão
A Física das Radiações possui um estudo muito amplo, denso e de extrema importância para o
desenvolvimento da Física Moderna. Apesar de ser uma teoria que integra a Física Atômica, a
Física Nuclear e a Física Quântica, ela possui um espaço próprio de estudo e de aplicação,
servindo de base para diversas áreas de atuação e de pesquisa, como o estudo dos solos,
tratamento e diagnósticos de doenças, técnicas forenses, estudo do Universo, criação de novas
tecnologias, estudos arqueométricos e paleontológicos, entre vários outros.
A história de sua formação e implementação na área científica só nos prova que seus estudos e
aplicações têm sido cada vez mais relevante.
A Física das Radiações, assim como toda área da Física, está no nosso cotidiano e possui a uma
das melhores formas de observar o mundo, nossos olhos.
49. Referências
OKUNO, Emico. YOSHIMURA, Elisabeth M. Física das Radiações. São Paulo: Oficina de Textos,
2010.
OKUNO, Emico. Radiação: Efeitos, Riscos e Benefícios. 1. Ed. São Paulo: HARBRA, 2007.
ROMER, Alfred. The Discovery of Radioactivity and Transmutation. Vol. 2. New York: Dover
Publications, 1964.
BECQUEREL, Henri. “On the Invisible Radiations Emitted by Phosphorescents Substances.”
(Translation of “Sur les radiation invisibles émises par les corps phosphorescents”). Comptes rendus
de l’Académie des Sciences, Paris, 122:501-503, 2 March 1896.
BECQUEREL, Henri. “On the Invisible Radiations Emitted by the Salts of Uranium.” (Translation of
“Sur les radiation émises par radiation invisibles émises par les sels d’uranium”). Comptes rendus de
l’Académie des Sciences, Paris, 122:689-694, 23 March 1896.
BECQUEREL, Henri. “Emission of New Radiations by The Metallic Uranium.” (Translation of “Émission
de radiations nouvelles par l’uranium métallique”). Comptes rendus de l’Académie des Sciences,
Paris, 122:1086-1088, 18 May 1896.
50. Referências
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RUTHERFORD, Ernest. SODDY, Frederick. “The Radioactivity of Thorium Compounds.” From
Journal of the Chemical Society, Transactions, 1902, London, 81:321-350.
BECQUEREL, Henri. “On the Radioactivity of Uranium.” (Translation of “Sur la radio-activité de
l’uranium”). Comptes rendus de l’Académie des Sciences, Paris, 133:977-980, 9 December 1901.
CURIE, Pierre. CURIE, Marie S. “On Radioactive Substances.” (Translation of “Sur les corps radio-
actifs”). Comptes rendus de l’Académie des Sciences, Paris, 134:85-87, 13 January 1902.
RUTHERFORD, Ernest. SODDY, Frederick. “The Radioactive Change.” From From The London,
Edinburgh, and Dublin Philosofical Magazine and Journal of Science [6], 1903, London, 49:1-14.
CURIE, P. LABORDE, A. “On the Heat Spontaneously Released by the Salts of Radium.” (Translation
of “Sur la chaleur dégadée spontanément par les sels de radium”). Comptes rendus de l’Académie
des Sciences, Paris, 136:673-675, 16 March 1903.
51. Referências
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(Tradução de Maria Luíza X. de A. Borges, revista técnica, Hélio Motta Filho e Henrique Lins de Barros) Rio de
Janeiro: Jorge Zahar Ed., 2003.
ROCHA, José F.e cols. Origens e evolução das ideias da física. Salvador: EDUFBA, 2002.
TEIXEIRA, Cilâine V., Massoni, Neusa T., VARGAS, Ghislaine S. Raios X: Um Tema Instigante para a Introdução
da Física Moderna e Contemporânea na Sala de Aula do Ensino Básico. Experiências em Ensino de Ciências,
Porto Alegre, v.12 , n.2 , p. 80-93, 2017.
DIAS, Lucas S. A Visão da Sociedade Araguaiense Sobre Física Nuclear e Suas Aplicações. Trabalho de
Conclusão de Curso em Licenciatura em Física Universidade Federal do Tocantins, Araguaína, p. 1-45, 2019.
CNEN, Comissão Nacional de Energia Nuclear. História da Energia Nuclear. Brasília, 2015.
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MARTINS, Roberto de A. Física e História. Ciência e Cultura, São Paulo, v.57 , n.3 , Jul./set. 2005.
SEGRÉ, Emilío. Dos Raios X aos Quarks, Físicos Modernos e Suas Descobertas. Brasília: Editora
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FREIRE JR, O., PESSOA JR, O., BROMBERG, J. L., orgs. Teoria Quântica: estudos históricos e
implicações culturais [online]. Campina Grande: EDUEPB; São Paulo: Livraria da Física, 2011. 456
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