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元素简介:氦

文章出处:扑克王app官网 人气:发表时间:2020-11-15 18:56

  大家好,今天来了解一下氦,原创资料希望喜欢,氦会需要一点简单的量子力学及稀有气体化学知识基础,有什么问题可以问我。

  氦是一种化学元素,元素符号为He,原子序为2,相对原子质量为4.002,在标准状况下,氦气是一种无色,无臭,无味,无毒,惰性的单原子气体,氦是元素周期表中首个稀有气体。氦的沸点是所有元素中最低的。除了暗物质和暗能量以外,氦是宇宙中第二轻和第二丰富的元素,元素丰度超过20%,仅次于氢。

  从量子力学的角度来看,氦是仅次于氢原子第二最简单的原子。氦通常由包含两个质子和两个中子(氦-4)的核与在原子轨道上的两个电子组成。同牛顿力学一样,任何由两个以上粒子组成的系统都不能用精确的解析数学方法求解,氦也不例外。因此,即使求解一个原子核和两个电子的系统,也需要数值数学方法。这种通过计算的化学方法已用于在很多计算步骤中,以创建氦的量子力学图像,误差精确值已小于2%。这样的模型表明,氦中的每个电子与核互相屏蔽,使得每个电子的有效核电荷Z约为1.69单位,而不是经典氦核的2个电荷。

  氦-4原子核与α粒子相同。高能电子散射实验表明,其电荷从中心点的最大值开始呈指数下降,与氦自身电子云的电荷密度完全相同。这种对称性反映了类似的物理学潜在效应:氦原子核中的一对中子和质子遵循与氦的电子对相同的量子力学规则,所以这些费米子完全占据1s的成对轨道,没有一个拥有轨道角动量,每个都抵消了另一个的内在旋转。无论添加任何粒子中都会需要将角动量释放,使得整体能量减少(事实上,具有五个核子的核没有一个是稳定的)。因此,氦原子的这种布置在能量上非常稳定,并且可以解释了氦的许多特性。

  例如,氦中电子云状态的稳定性和低能量解释了元素的化学惰性,并且导致氦原子彼此之间缺乏相互作用,成为所有元素中熔沸点最低的元素。

  同理,由类似效应产生的氦-4核的具有特定能量稳定性解释了在涉及重粒子发射或聚变反应中氦-4生成的容易性。虽然氢的聚变反应也可以产生一些稳定的氦-3(2个质子和1个中子),但与非常易生成的氦-4相比,氦-3只占很少的一部分。

  氦-4核的异常稳定性在宇宙学上也很重要,它解释了这样一个事实:在大爆炸后的最初几分钟,由于自由质子和中子“汤”以大约6:1的比例被冷却到可进行核合成的程度,几乎所有化合物原子核都首先形成氦-4核。氦-4结合得如此紧密,在中子发生β衰变之前,在几分钟内产生的氦-4几乎消耗掉了所有的自由中子,这也导致几乎没有留下什么核子来形成较重的原子,如锂、铍或硼。每个核子的氦-4核结合比这些元素中的任何一种都强,因此,一旦形成氦,就没有能量驱动来制造元素锂、铍和硼。因此,由于缺乏中间元素,形成碳的过程需要三个氦原子核几乎同时撞击,这就是三氦过程。因此,在大爆炸后几分钟内,在早期膨胀的宇宙冷却到不再可能将氦转化成碳的温度和压力之前,并没有足够的时间形成碳。这使得早期宇宙的氢/氦比例非常相似,并与现在观测到的差别不大,宇宙中几乎所有的中子都被捕获在氦-4中。

  所有较重的元素(包括像地球这样的岩石行星以及碳基或其他生命所必需的那些元素)都是自大爆炸以来在恒星中产生的,这些恒星的热度足以使氦发生聚变。除了氢和氦,其他所有元素只占宇宙中原子物质质量的2%。相比之下,氦-4约占宇宙普通物质的23%,几乎是所有非氢的普通物质。

  在很多文献中,氦是仅次于氖第二惰性的元素。在标准条件下,它呈现单原子性及化学惰性。由于氦相对低的原子质量以及氦单原子分子的小尺寸,它的导热系数、比热和气相中的声速都比除氢以外的任何气体大。氦在固体中传播速度是空气的三倍,相当于氢气的65%。

  氦是最难溶于水的单质气体,也是最难溶于水的气体之一(四氟化碳、六氟化硫和八氟环丁烷具有更低的摩尔分数溶解度,分别是0.3802×10⁻⁵、0.4394×10⁻⁵和0.2372×10⁻⁵,而氦是0.70797×10⁻⁵),和氦的折射率比任何气体都接近于真空的基准折射率。在正常环境温度下,焦耳-汤姆逊系数为负,这意味着氦在室温膨涨时温度会上升。只有低于焦耳-汤姆逊反转温度(在1个大气压中约为32-50K)时,自由膨胀时它才会冷却。只有预冷到低于这个温度,氦才可以通过膨胀冷却液化。

  在地球之外,大多数氦都处于等离子体状态,其性质与原子的氦有很大不同。在等离子体中,氦的电子不与它的原子核结合,导致其有着非常高的电导率,即使氦只是部分电离。带电粒子会受到磁场和电场的强烈影响。例如,在太阳风中的等离子体会与地球的磁层相互作用,产生伯克兰电流和极光。

  与任何其他元素不同,在常压下即使降低温度至接近绝对零度氦也将一直保持液态。量子力学可以解释这种状况,具体而言,氦的零点能太高在常压下不能凝固。固态氦只有在约25个大气压力下,处于1-1.5K时才会形成。由于固态氦和液态氦的折射率几乎相同,所以通常很难区分固态和液态氦。固态氦具有明显的熔点和晶体结构,但它是高度可压缩的;在实验室施加压力可使其体积减少30%以上。氦的体积模量约27兆帕相当于水的100倍。固体氦在1.15K和66个大气压下的密度为0.214±0.006g/cm³;通过模拟理论计算在0K和25个大气压下的投射密度为0.187±0.009g/cm³。在更高的温度下,氦需要更高的压力才会凝固。在室温下,这需要大约114000个大气压。

  在4.22K的沸点以下,在2.1768K的λ点以上,氦-4以正常的无色液体状态存在,称为氦I。和其他低温液体一样,氦I在加热时沸腾,当温度降低时收缩。然而,在兰姆达点以下,氦不会沸腾,并且随着温度的进一步降低而膨胀。

  氦I的类气体折射率仅为1.026,这使得它的表面很难看到,所以常用泡沫聚苯乙烯的浮子来显示其位置。这种无色液体的粘度很低,密度为0.145-0.125g/ml,仅为经典物理学预期值的四分之一。这需要量子力学来解释这种性质,因此液态氦(氦I和氦II)的两种状态都被称为量子流体,这意味着它们在宏观尺度上展现出微观的原子性质。这可能是由于氦的沸点如此接近绝对零度,阻止随机分子热运动掩盖原子性质。

  在λ点以下的液态氦(称为氦II)表现出非常特殊的特征。由于它的高导热性,当它沸腾时,它并不会起泡,而是直接从其表面蒸发。氦-3也同样具有超流体相,但所需温度会更低。

  氦II是一种超流体,是一种具有奇特性质的量子力学物质状态。例如,当它流经细至10⁻⁷到10⁻⁸米的毛细管时,它将没有可测量的粘度。然而,当在两个移动的圆盘之间进行测量时,则会观察到与气态氦相当的粘度。目前通过双流体模型来解释氦II。在这个模型中,低于λ点的液氦含有一定比例处于基态的氦原子,它们是超流体,并且流动时粘度近乎为0,但同时其也包含一定比例的处于激发态的氦原子,其行为更像普通流体。

  如果装有氦II贮存器通过烧结圆盘与腔室相连,那么超流氦容易通过该烧结圆盘泄漏,而非超流氦不能通过该烧结圆盘。如果容器内部被加热,超流氦就变成非超流氦。为了维持超流氦的平衡分数,超流氦会溢出并增加压力,导致液体从容器中喷出,这就是超流氦的喷泉效应。

  氦II的导热系数比其他任何已知物质的导热系数都大,是氦I的100万倍,是铜的几百倍。这是因为超流氦的热传导是通过特殊的量子机制产生的。大多数导热良好的材料都有一个自由电子的价带,用来传递热量,但氦II没有这样的价带,却同样有着十分良好的导热能力。热量传递是由类似于空气中声音传播的波动方程的方程来控制的。当热被传入时,它在1.8K以每秒20米的速度通过氦II,这种现象被称为第二声。

  氦II也显示出蠕变效应,当氦II蔓延至水平面以外时,氦II可以逆着重力沿着表面移动。氦II会沿着未密封容器的两侧进行爬行从而逸出并蒸发。无论表面为什么材料,氦都可以在30nm厚的薄膜中移动。这种薄膜被称为罗林薄膜,是以第一个描述这种特性的伯纳德·V·罗林的名字命名的。由于这种蠕变效应,氦II可以通过微小开口快速泄漏,很难限制液态氦的流动。除非容器经过特殊构造,氦II会一直沿着表面蠕动,直到其到达较热的地方并蒸发。在罗林薄膜上传播的波受与浅水中的重力波相类似,但复原力并不是重力,而是范德华力,这些在罗林薄膜上传播的波被称为第三声。

  氦有9种已知同位素,但只有氦-3和氦-4是稳定的。在地球大气层中,氦-3含量只有氦-4的百万分之一。与大多数元素不同,氦的同位素丰度因成因不同差异十分巨大。地球上最常见的同位素氦-4是由较重的放射性元素进行α衰变产生的;α粒子就是完全电离的氦-4核。氦-4异常稳定,主要是来源于大爆炸的核合成过程。

  氦-3在地球上仅微量存在。大部分氦-3都是自地球形成之前以来一直存在的,但有些则是由宇宙尘埃带来的。也有极微量的氦-3是由氚发生β衰变产生的。地壳岩石中的氦同位素比值是大气比例的10倍,这可以用于研究岩石的起源和地幔的组成。作为核聚变的产物,氦在恒星中的含量要多得多。因此,在星际介质中,氦-3与氦-4的比例约是地球比例100倍。行星以外物质,如月球和小行星,由于受到太阳风的轰击,含有微量的氦-3。月球表面含氦-3的浓度约为十亿分之10,远高于地球大气中约百亿分之5。从1986年起,许多科学家提出探索月球,开采月球碎石,使用氦-3进行核聚变。

  液体氦-4可以通过在1K锅中蒸发冷却冷却到大约1开尔文。在氦-3制冷机中,沸点较低的氦-3需要冷却到约0.2开尔文才可完全形成液体。低于0.8K的液体氦-3和氦-4的混合物由于结构的不同而处于不同的两个非混溶相,这是因为它们遵循不同的量子统计,氦-4原子是玻色子,而氦-3原子是费米子。通过这样原理可制得相差仅有毫开尔文的稀释冰箱。

  氦也存在其他罕见的同位素,它们会迅速衰变为其他物质。最短寿命的氦同位素是氦-5,半衰期仅为7.6×10⁻²²秒。氦-6可发射β粒子而衰变,半衰期为0.8秒。氦-7和氦-8可在某些核反应中产生。此外,氦-6和氦-8具有核晕。

  一般来说,氦被认为不存在化合物。氦的第一电离能为24.57eV,是元素中最高的。在利兰·C·艾伦的电负性表里,氦有着极高的电负性,仅次于氖和氟。氦具有完整的电子层,并且在这种形式中,原子不容易接受任何额外的电子或与任何物质结合以制造共价化合物。氦的电子亲和能为0.08eV,非常接近于零。氦原子很小,外电子层的半径为0.29Å。在软硬酸碱理论中,氦的硬度很高,皮尔逊硬度为12.3eV。氦有着原子的最低极化率。然而,在氦和其他原子之间存在非常弱的范德华力,这种力可能会超过其排斥力。因此,在极低的温度下,氦可能形成范德华分子。而氦和其他原子之间的排斥力也可通过高压克服。已经证明氦在高压下与钠形成结晶化合物。在气态行星内部有着可使氦成为固体的压力。加压氦气和其他小分子也可形成包合物,如氮气包合物。通过理论计算化学方法,可以预测一些含氦的分子或离子,不过它们同样需要高压才能得到,有些已被预测化合物目前仍未制得。

  使氦反应的其他方法一般是:先将其转化为离子,或将电子激发到更高的水平,使其形成激态分子。氦离子(He⁺)是一种能够从其他原子中提取电子的高能量物质。氦离子具有类似氢的电子构型,因此理论上它可以形成共价键。激态分子不能持续很长时间,因为含有较高能级的氦原子的分子会迅速衰变回到基态。然而,在白矮星之类的高密度天体中,可以快速形成激发的氦原子。激发态的氦原子有一个1s电子变变成2s电子。每克的氦需要1900千焦的能量,这可以通过电子冲击或辉光放电来提供。2s激发态的电子轨道会类似于锂原子。

  大多数氦和其他物质的结合需要高压。氦原子虽不与其他原子结合,但有些物质可以具有明确的晶体结构。

  氦化钠是氦和钠的化合物,在高于113千兆帕的高压下是稳定的。通过X光摄影的通用结构预测器(USPEX)计算到了氦化钠的存在,并于2016年首次合成。预测其热力学稳定性在160GPa以上,动力学稳定性在100GPa以上。氦化钠具有类似萤石的立方晶体结构。在300GPa时,晶体单位晶胞边缘a=3.95。每个单位晶胞立方体表面和角的中心含有四个氦原子,在顶点处有八个钠原子,每个面有1/4细胞。双电子位于单元格的每个边缘和中心,每对电子都是自旋对,这些孤立电子会帮助结构连接。氦原子本身并不参与成键。据推测,氦化钠为透明的绝缘体。

  2007年有报道称,氦原子可与硅酸盐结合。硅方英石是一种天然二氧化硅包合物,通常含有二氧化碳,甲烷或氮。通过压缩将氦原子挤入其结构会形成新的包合物。这种物质有着很高的体积模量,并且不能结晶化。在17GPa下氦会进入原本结构,并使晶胞扩大,而在11GPa以下氦会自动脱离包合物结构。

  砷酸盐氦包合物As₄O₆·2He在3-30GPa的压力下是稳定的。砷华是最软和最易压缩的矿物之一。氦可以防止高压力下在砷酸盐的晶体发生解离。含有氦的固体比普通砷酸盐有着更高的硬度和声速。包含在晶体中的氦会对As₄O₆分子产生更均匀的应力。虽然砷仍有可用的孤对电子,但砷和氦之间同样并没有形成实际的键。氦原子扩散到砷酸盐中是一个缓慢的过程,但如果晶体上的压力太高超过13GPa,则氦就不会发生渗透,这是因为由于压力过高砷酸盐分子之间的间隙会被挤压的过小。因此,原子半径更大的氖并不能扩散到砷中。

  氦也可插入受热膨胀钙钛矿内。在室温下,六氟锆酸钙可以在350Mpa下吸入氦以使其晶胞膨胀,产生HeCaZrF₆。室温下,如果降低压强,几分钟内氦就会脱离,但在低于130K时,它在减压时仍可保留氦。

  在高压下,氦可以渗透二甲基铁胺甲酸盐。并在较低压力(约4GPa)下形成单斜有序结构。

  通过在金刚石压砧中压缩氮和氦至10GPa-15GPa下,氦和氮可形成He(N₂)₁₁,它是具有六方晶体的范德华分子。

  在13.7GPa下,氖可和氦形成NeHe₂,它有着类似锌镁合金的六方结构。每个晶胞中有四个原子。在12.8GPa时会熔化,稳定存在需要在90GPa以上。

  氦包合物仅在高压下形成。在280-480MPa之间,氦和水可形成比例为1:6的固体氦水合物。由于氢和氦的分子大小相似,氦笼形水合物应与氢笼形水合物类似。

  氦可以在压力下进入其他的分子固体晶体,以改变它们的结构和性质。例如在超过0.3GPa以上氯磺丙脲可和氦结合变为单斜晶系结构,并且在为1.0GPa变为正交晶系。

  氦可以形成与富勒烯形成层间结构,如C60和C70。在固体C60中,在C60球之间存在着四面体或八面体的空间,即使在一个大气压下,氦也可以扩散到固体富勒体中。由于氦位于富勒烯之间的层状结构内而不是富勒烯本身结构内,因此其结构式一般写成如C60•3He的形式。氦分两个阶段进入晶格。第一个快速阶段需要几天时间,并且将晶格扩展0.16%,填充大部分八面体的位置。第二阶段需要数千小时才能吸收更多的氦并使晶格膨胀两倍(0.32%)填充四面体位置。而当固体C60不处于氦气氛下时,固态富勒烯会在340小时的内迅速失去氦。由于氦的空隙占据的变化,高温时体积变化较小,但是在转变温度附近则快速的变化。

  氦原子可以被捕获在分子笼内,例如富勒烯C60和C70,可由氦和富勒烯压缩制成,这与层间化合物不同,氦原子会被困在碳骨架内,其结构式一般会用一个带@的符号来表示,如₂@C70。直接高温高压C60和氦反应率不足1%,通过破坏和重整富勒烯结构,才可反应率提高。高效液相色谱可用于浓缩氦,由于原子被聚在一起,因此它们具有较低的对称性,其结构易延直线扩展延长。

  当各种原子或分子被吸收在超流氦的表面上时,就会形成不纯氦冷凝物(IHCs),其在液氦中沉积会呈现类似雪的凝胶状态。原子可包括H,N,Na,Ne,Ar,Kr,Xe,碱金属以及碱土金属。杂质原子会形成具有由范德华力的纳米颗粒簇来保持物质表面。氦原子不能朝向或远离其他原子移动,但可以在其他原子周围垂直移动。这种雪状固体的结构就像气凝胶,当自由原子包含在冷凝物中时,可以实现高能量密度,可作为潜在的火箭燃料。这类混合物需用一个涉及方括号的符号来表示,如:[N]/[He]代表氦中的氮原子杂质。

  将杂质原子引入固体氦产生蓝色固体,其会比纯氦更易熔化。液氦中的中性金属原子也被由电子排斥引起的气泡包围。如果提高压强,电子气泡半径会减小,更易使不纯氦固体形成。

  氦气可以极少的溶解在铁、铋、锂、钾、镍等金属的液态物中。金属的熔点越高,氦溶解的越少。然而,当淬火液态金属时,可以使更高浓度的氦气溶解。这是因为氦原子进入金属晶格,形成孔状物。

  当金,铜,铷,铯或钡等金属蒸发成液态氦形式可以形成蜘蛛网状结构。这种结构可以更好的与超流体的氦相结合形成纳米线合成物。

  当被电场吸引时,液氦中的氦离子(He⁺)可以在低于100mK的温度下形成二维晶体。在氦表面下方每平方米有大约半万亿个离子。自由电子漂浮在氦表面之上。

  范德华分子是由范德华力或氢键等分子间吸引力结合在一起的原子或分子的弱结合复合物。氦可以形成多种范德华分子,如:LiHe(这是一种冷低密度气体,可用于研究二聚体,埃菲莫夫态等)、二聚氦、三聚氦、四氟甲烷氦等等

  氦具有最高的电离能,因此氦离子可以剥离任何其他中性原子或分子的电子。然而,它也可以与产生的离子结合。可以用气体或液氦研究。常见有以下分类:电离团簇氦、氦合氢离子、稀有气体团簇离子、部分金属-氦离子、部分非金属氦离子等等

  虽然氦在地球上很罕见,但氦是已知宇宙中第二丰富的元素(在氢之后),占其重子质量的23%。绝大多数氦是在大爆炸后一到三分钟由大爆炸原初核合成形成的。因此,氦丰度的测量有助于修正宇宙学模型。在恒星中,它是由氢在质子-质子链反应中的核聚变和碳氮氧循环形成的,这是恒星核合成的一部分。

  在地球大气中,氦气的浓度仅为百万分之5.2。尽管有新的氦继续产生,但氦总体浓度很低并且相当稳定,这是因外地球大气中的大多数氦会逸散到太空中。在高层大气中,氦气的含量会有所增加。

  地球上大多数氦气是放射性衰变的结果。在含铀和钍的矿物中会存在一些氦气,包括钇铀矿,沥青铀矿,钒酸钾铀矿和独居石,因为它们发射α粒子(氦-4原子核),只要α粒子被岩石阻挡,电子就会立即与α粒子上结合成为氦气。通过这种方式,整个岩石圈每年产生约3000公吨的氦。在地壳中,氦的浓度为十亿分之八。在海水中,浓度仅为万亿分之四。矿物泉,火山气和陨铁也有少量的氦。由于氦气同天然气一起被困在地下,因此大部分商业氦气都是从天然气中提取出来的。

  虽然氦气最知名的用途是用于气球,但它们只占氦气使用的一小部分。由于氦气的一些独特性质,如低沸点,低密度,低溶解度,高导热性或惰性,氦常应用在一些专属领域。2014年全球氦气最大的用途(约占32%)属于低温应用,其中大部分用于医用MRI扫描仪和核磁共振光谱仪冷却超导磁体。其他主要用途包括加压和吹扫系统、焊接、保护气和泄漏检测。

  由于氦的惰性,氦可用于保护气,氦主要应用于硅锗半导体制造、钛和锆的生产以及气相色谱法中。另外由于氦高导热性、高比热容以及高声音传播速度,氦也可用于超音速风洞和脉冲设施。

  氦常用在电弧焊过程中用作保护气体,这是因为有些电焊材料可能在高温下与空气中的氧气和氮气发生反应。在钨极气体保护电弧焊中稀有气体会经常被用到,但之所以使用比氩更贵的氦,是因外氦有着较高导热率,适用于那些同样有着高导热率的材料如铝、铈、铜等。

  工业上氦常见的应用是泄漏检测。由于氦在固体中的扩散速度比在空气快3倍,因此氦被用作示踪气体,以检测高真空设备(如低温罐)和高压容器中的泄漏。在检测时会把被检测对象置于一个腔室中,然后会将腔室抽至真空再充满氦气,然后使用氦质谱仪检漏仪是否有氦泄漏即可。测量过程通常是自动的,称为氦气累积测试。更简单的方法是用氦气填充被测物体,并用手持设备手动搜索泄漏。

  由于氦密度比空气小,因此飞艇和气球中都会用氦气填充。虽然氢气的密度更低,并有着更低的滤膜速度,但氢气高度易燃,而氦并不支持燃烧。氦的另一个飞行用途是在火箭中,氦会帮助用于火箭燃料的氢气和氧气进行凝结。

  氦气可作为呼吸气体中的稀释气体,用于将氧气稀释到适当的浓度。由于氦没有麻醉效应,因此在深潜中常使用含有氦气的混合气体如氦氧氮混合气,氦氧混合气或氦气空气混合气。但由于压强随深度的增加而增加,在深处时雷诺数会减少,低分子量的氦反而会使有效呼吸减少。在150米以下,潜水员使用氦氧混合气可能会出现震颤和精神运动功能下降的高压神经综合症症状。如果向氦氧混合气中加入一定量的麻醉气体如氢气或氮气,可以在一定程度上抵消这种影响。

  氦氖激光器是一种产生红光束的低功率气体激光器,曾用于条形码读取器和激光指示器,但后来几乎全部被更便宜的二极管激光器所取代。

  由于氦的高热容比和低普兰特数,氦可与较重的气体如氙混合,用于热声制冷。与传统的制冷系统相比,氦气的惰性使得氦更加环保,不会产生严重的臭氧消耗及全球变暖。

  氦气也用于某些硬盘驱动器。但是过量氦气渗入可能损害如手机内部等微机电系统的运作。

  由于氦的折射率极低,所以在某些望远镜中,氦可以减少透镜间空间温度变化造成的扭曲效应。这种方法尤其适用于有着较重真空密闭望远镜管的太阳能望远镜。

  液氦也可用于某些低温应用中。例如,液氦可将用于磁共振成像的超导磁体冷却到超导所需的极低温度。

  声音在氦气中的速度几乎是在空气中速度的三倍。由于充气腔的基本频率与气体中的声速成正比,所以当吸入氦气时,声道的共振频率会相应增加。较高的共振频率导致音色的变化,导致发出的声音会变得尖细。相反地,如果吸入六氟化硫或氙气等高密度气体,共振频率就会下降,发出的声音就会变得更低沉。

  吸入过量的氦气会很危险,因为氦气不支持呼吸,可能会导致窒息。直接从加压气瓶或甚至气球填充阀吸入氦气是极其危险的,因为高流速和高压力会导致严重破坏肺组织。

  低温氦和液氮有着相似的风险,直接接触可能会导致严重的冻伤。当低于10K的氦气被加热到室温时发生的快速和显著的热膨胀,装有氦气的容器需要进行特殊处理。

  在高压(超过20大气压)下,氦氧混合气可导致高压神经综合征,如果向氦氧混合气中加入一定量的麻醉气体如氢气或氮气,可以在一定程度上抵消这种影响。

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