2022年第四节原子核与放射性核能 .pdf

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1、学而不思则惘，思而不学则殆第四节原子核与放射性核能一、 考情分析考试大纲考纲解读1. 原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期2. 放射性同位素3. 核力、核反应方程4. 结合能、质量亏损5. 裂变反应和聚变反应、裂变反应堆6. 射线的危害与防护1半衰期、质能方程的应用、计算以及核反应方程的书写是高考的热点问题，这部分内容较为简单， 在学习中要注意抓好基本知识 . 2裂变、聚变及三种射线，这部分内容在高考命题中可能结合动量守恒、电场、 磁场等知识来研究带电粒子在电场、磁场中的运动 . 二、考点知识梳理（一） 、天然放射性现象1放射性现象：贝克勒耳发现_，使人们认识到_也有复杂结构，揭开了人类

2、研究原子核结构的序幕通过对天然放射现象的研究，人们发现原子序数大于_的所有天然存在的元素都有_， 原子序数小于83 的天然存在的元素有些也具有放射性，它们放射出来的射线共有三种：_、_、_2、三种射线的本质和特性1射线：速度约为光速110 的氦核流，贯穿作用很弱，电离作用很强2射线：速度约为光速十分之几的电子流，贯穿作用很强，电离作用较弱3射线：波长极短的电磁波，贯穿作用最强，电离作用最弱种类本质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯 穿 性射线氦核4 +2 0.1 最强最弱，纸能挡住射线电子1/1840 -1 0.99 较强较强，穿几 mm铝板射线光子0 0 1 最弱最强，穿几 cm铅版三种

3、射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：O 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆3、原子核的衰变规律（1） 衰变的一般方程为_ 每发生一次 衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数减小2，质量数减少4衰变的实质是某元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子（即氦核） （核内HenH42101122）（2）衰变的一般方程为_每发生一次 衰变， 新元素与原元素相比较，核电荷数增加1，质量数不变 衰变的实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子 （核内110011

4、nHe） ， + 衰变：eSiP0130143015（核内enH011011）（3）射线是伴随 _或_同时产生的、 射线 _原子核的电荷数和质量数 其实质是放射性原子核在发生衰变或 衰变时， 产生的某些新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子（4）半衰期放射性元素衰变的快慢用半衰期来表示，定义： _ 。意义：反映了核衰变过程的统计快慢程度。特征：只由_的因素所决定，而与原子所处的物理状态或化学状态_。公式表示：TtNN/21)(原余，Ttmm/21)(原余式中原N、原m分别表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，余N、余m分别表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量， t 表示

5、衰变时间，T 表示半衰期。理解： 搞清了对半衰期的如下错误认识， 也就正确地理解了半衰期的真正含义。第一种错误认识是：N0（大量）个放射性元素的核，经过一个半衰期T，衰变了一半，再经过一个半衰期T，全部衰变完。第二种错误认识是：若有4 个放射性元素的核，经过一个半衰期T，将衰变2 个。事实上， N0（大量）个某种放射性元素的核，经过时间t 后剩下的这种核的个数为TNN1021而对于少量的核（如 4 个） ，是无法确定其衰变所需要的时间的。这实质上就是 “ 半衰期反映了核衰变过程的统计快慢程度” 的含义。（二） 、原子核的人工转变核能1原子核的组成：_和_组成原子核。质子和中子统称为_，原子核的

6、质量数等于其_，原子核的电荷数等于其_，原子核的中子数N 等于精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆其质量数 A 与电荷数Z 之差，即N=A Z。质子质量 = 1007277u16725 1027kg; 中子质量 =1008665u1674810-27kg 具有相同的质子数、不同的中子数的原子核互称为_2原子核的人工转变：用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程，其核反应方程的一般形式为：_。式中XAZ是靶核的符号，x为入射粒子的符号，YAZ是新生核符号，y是放射出的粒子的符号。 卢瑟福发

7、现质子的核反应方程为：_ 查德威克发现中子的核反应方程为：_。 约里奥居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：_ ，其中，3015P 是放射性同位素，01e 为正电子3.放射性同位素的应用利用其射线：射线 _强，用于使空气电离，将静电泄出， 从而消除有害静电。 射线 _强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使 DNA 发生突变，可用于生物工程，基因工程。作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。进行考古研究。利用放射性同位素_，判定出土木质文物的产生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全， 半衰期短， 可制成各

8、种形状，强度容易控制）。（三） 、核力与核能1核力：原子核的半径很小，其中的质子之间的库仑力很大，受到这么大的库仑斥力却能是稳定状态，一定还有另外一种力把各核子紧紧地拉在一起这种力叫做_ 核力是很强的力核力作用范围小，只在_短距离内起作用每个核子只跟_才有核力作用2核能（1）结合能：核子结合成原子核时放出一定的能量，原子核分解成核子时吸收一定能精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆量，这种能量叫结合能（2）质量亏损：核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要 _些，这种现

9、象叫做质量亏损。也可以认为 在核反应中， 参加核反应的总质量m 和核反应后生成的核总质量m/之差：m=m 一 m/ （3）爱因斯坦质能方程：爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：_，这就是爱因斯坦的质能方程。质能方程的另一个表达形式是：_。（4）核能计算：应用公式 E=mc 2时应选用国际单位， 即EM 的单位为焦耳， m 的单位为千克，C 的单位为米秒1u 相当于 9315MeV ，其中 u 为原子质量单位：1u=16605661027kg ，lMev= l06ev， leV161019J 应用公式 E=9315m 时， E 的单位为兆电子伏（MeV ）

10、，m 的单位为原子质量单位（四） 、重核的裂变与轻核的聚变1重核的裂变所谓重核即为质量数很大的原子核重核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量数的原子核的反应过程叫重核的裂变。在裂变的同时，还会放出几个中子和大量能量裂变方程式例举：_ 铀 235 裂变时，同时放出23 个中子，如果这些中子再引起其他铀235 核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫链式反应铀 235 核能够发生接式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积核反应堆的构造：A核燃料用铀棒（含U235923%-4% 的浓缩铀）。B减速剂用石墨、重水或普通水（U23592只吸收慢中子） 。C控制棒用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。

11、D冷却剂用水或液态钠（把反应堆内的热量传递出去）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆E水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。2轻核的聚变所谓轻核是指质量数很小的原子核，如氢核、氘核等某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程叫做轻核的聚变，同时放出大量的能量轻核聚变方程例举_ 经核聚变只能发生在超高温（需要几百万度高温）条件下，故轻核聚变也叫做热核反应五、粒子物理学到 19 世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。20 世纪 3

12、0 年代以来，人们认识了正电子、子、 K 介子、 介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。现在已经发现的粒子达400 多种， 形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆三、考点知识解读考点 1. 衰变有关问题剖析：（1）衰变的一般方程为XAZYAZ

13、4242He 每发生一次 衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数减小2，质量数减少4衰变的实质是某元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子（即氦核） （核内HenH42101122）（2） 衰变的一般方程为XAZYAZ 101e每发生一次 衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数增加1，质量数不变 衰变的实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子 （核内110011nHe） ， + 衰变：eSiP0130143015（核内enH011011）（3）射线是伴随 衰变或 衰变同时产生的、射线不改变原子核的电行数和质量数其实质是放射性原子核在发生衰变或 衰变时， 产生的某些新核由于具

14、有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子例题 1 钍核Th23290经过 6 次衰变和 4 次衰变后变成铅核，则（）A.铅核的符号为Pb20882，它比Th23290少 8 个中子B.铅核的符号为Pb20478，它比Th23290少 16 个中子C.铅核的符号为Pb20882，它比Th23290少 16 个中子D.铅核的符号为Pb22078，它比Th23290少 12 个中子解析：根据质量数守恒有232=64+M,得M=208; 根据核电荷数守恒90=Z+6 2-4, Z=82；中子数相差 (232-90)-(208-82)=16 答案：C 【变式训练1】铀（U23892）经过 、 衰变形成稳

15、定的铅（Pb20682） ，问在这一变化过程中，共有多少中子转变为质子（）A6 ； B14；C22 ；D32 解析：U23892衰变为Pb20682，需经过8 次衰变和6 次衰变，每经过一次衰变就会有一个中子转变为质子，同时放出一个电子，所以共有6 个中子转化为质子精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆答案： A考点 2.核反应方程有问题剖析：1无论何种反应方程必须遵守电荷数守恒，质量数守恒规律，有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律（如裂变和聚变方程常含有能量项）2核反应方程中的箭头表示反应进

16、行的方向，不能把箭头写成等号3写核反应方程必须有实验依据，决不能毫无根据地编造。4注意原子核表示为AzX（A 为质量数， z为核电荷数） ，要熟悉常见的基本粒子的表达式，如中子10n，质子11H，氕11H，氘21H，氚31H，电子01e，正电子01e，氦核42He等。5. 写核反应方程的一般程序是：先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置。根据电荷数守恒和质量数守恒规律计算出未知核或未知粒子的电荷数与质量数。根据未知核或未知粒子的电荷数断定它们是哪种元素或哪种粒子，并在核反应方程一般形式的适当位置写上它们的符号。例题 2 完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反

17、应方程，哪个是发现中子的核反应方程。141147061NnC147N+42He178O+_ 105B+10n_+42He94Be+42He_+10n5626Fe+21H5727Co+_ 解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，可以判定：11H，11H是发现质子的核反应方程,;73Li，126C是发现中子的核反应方程; 10n【变式训练2】 （09山东物理 38） (1)历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5MeV 的质子11H 轰击静止的X，生成两个动能均为8.9MeV 的42He.（ 1MeV=1.6-13J）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

18、- - - - - -第 7 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆上述核反应方程为_。质量亏损为 _kg 。解析 ：（1）17441322HXHeHe或17441322HLiHeHe，2923.1 10EmKgC。考点 3. 质量亏损和核能的计算剖析：(1)根据爱因斯坦的质能亏损，用核子结合成原子核时的质量亏损( m)的千克数乘以真空中光速的平方(c=3 108m/s)，即： E= mc2(2)根据 1 原子质量单位 (u)相当于 931.5(MeV) 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV ，即： E= m 931.5MeV 注意：式 m 的单位是千克(k

19、g)， E 的单位是焦耳(J)；式中 m 的单位是指原子质量单位(u)(1u=1.660566 10-27 kg)， E 的单位是兆电子伏(MeV) 。(3)由核能的转化量来计算核能。在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核和新粒子的动能，因而在此情况下可应用力学原理 动量守恒和能量守恒来计算核能。例题 3太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源（1.0078u4.0026u0.00055u1u931.5MeVpemmm，）（1）写出这个核反应方程（2）这一核反应释放出多少焦耳能量？解析：（1）1401214 HHe2 e

20、（2）核反应中释放能量必然伴随着质量亏损：4(2)4 1.0078u(4.00262 0.00055)u0.0275upmmmm由爱因斯坦质能方程可知精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆2120.0275931.5MeV25.61MeV4.1010JEmc【变式训练3】 一个氢原子的质量为1.673610-27kg， 一个锂原子的质量为11.650510-27kg，一个氦原子的质量为6.646710-27kg。一个锂核受到一个质子轰击变为2 个粒子，写出核反应方程， 并计算该反应释放的核能是

21、多少？1mg 锂原子发生这样的反应共释放多少核能？解析：11H+73Li242He 反应前一个氢原子和一个锂原子共有8 个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8 个核外电子， 因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉。由质能方程 E= mc2得释放核能 E= 2.7610-12J 1mg 锂原子含锂原子个数为10-611.6505 10-27， 每个锂原子对应的释放能量是2.7610-12J，所以共释放2.37108J 核能。考点 4. 半衰期的应用剖析：1意义：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间用希腊字母表示公式：

22、/)21(iNN原余，/)21(tmm原余2半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理状态（如任强、温度等）或化学状态（如单质或化合物）无关例题 4（2008天津）一个氡核Rn22286衰变成钋核Po21884并放出一个粒子，其半衰期为3. 8天.1 g 氡经过7. 6 天衰变掉氡的质量，以及Rn22286衰变成Po21884的过程放出的粒子是（）A. 0. 25g，粒子B. 0. 75g，粒子C. 0. 25g，粒子D. 0. 75g，粒子解析： 根据质量数守恒,核电荷数守恒, 核反应方程为222218486842RnPoHe，所以放出的粒子是粒子. 根据半衰期公式nmM

23、2总剩，经过两个半衰期后剩余的氡的质量为0.25g, 所以衰变掉氡的质量为0.75g. 答案： B 【变式训练4】 （2008上海物理2B）放射性元素的原子核在衰变或衰变生成新原子核精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆时，往往会同时伴随着_辐射。已知A、B 两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，tT1T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mA:mB_。解析： 放射性元素的原子核在衰变或 衰变生成新原子核时，往往以 光子的形式释放能量，即伴随 辐射；根据半衰期的定义

24、，经过tT1T2时间后剩下的放射性元素的质量相同，则mA2T2= mB2T1，故 mA：mB2T2: 2T1答案：2T22T1 四、考能训练A 基础达标1.关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有（）A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的B.利用 射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视C.用放射线照射作物种子能使其DNA 发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种D.用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害2.最近几年， 原子核科学家在超重元素岛的探测方面取得重大进展。1996 年科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反应

25、时，发现生成的超重元素的核XA2经过 6 次衰变后的产物是Fm253100。由此，可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是A124、259 B124、265 C112、265 D 112、277 3.23290Th（钍）经过一系列和 衰变，变成20882Pb（铅） ，下列说法正确的是（）A铅核比钍核少8 个质子B铅核比钍核少16 个中子C共经过4 次衰变和 6 次衰变D共经过6 次衰变和 4 次 衰变4.科学家发现在月球上含有丰富的32He（氦 3） 。它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为331422122HeHeHHe。 关于32He聚变下列表述正确的

26、是（）A聚变反应不会释放能量 B.聚变反应产生了新的原子核精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆C聚变反应没有质量亏损 D.目前核电站都采用32He聚变反应发电5.关于天然放射现象，以下叙述正确的是（）A若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小B 衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的C在 、这三种射线中， 射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强D铀核 (23892U)衰变为铅核 (20682Pb)的过程中，要经过8次衰变和 10次衰变6.如图 14-4-1 所示是利用放射线自

27、动控制铝板厚度的装置示意图，如果工厂生产的是厚度为1mm 的铝板，在，三种射线中，你认为对铝板厚度控制起主要作用的是A射线B射线C射线D以上三种射线都能控制7.两种放射性元素的原子Aac和Bbd，其半衰期分别为T 和T21。若经过 2T 后两种元素的核的质量相等，则开始时两种核的个数之比为_；若经过2T 后两种核的个数相等，则开始时两种核的质量之比为_。B 能力提升8.如图14-4-2 所示，两个相切的圆表示一个静止原子核发生某种核变化后， 产生的两种运动粒子在匀强磁场中的运动轨迹，可能的是（）A. 原子核发生了 衰变； B原子核发生了衰变C原子核放出了一个正电子；D原子核放出了一个中子；9.

28、（09 年重庆卷16 ）某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H+126C137N+1Q；11H+157N126C+X+2Q方程式中Q1、2Q表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：MN放射源探测接收器14-4-1 14-4-2 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆原子核11H32He42He126C137N157N质量 /u 1.0078 3.0160 4.0026 12.0000 13.0057 15.0001 AX 是32He，21QQBX 是42He，

29、21QQCX 是32He，21QQDX 是42He，21QQ10. （09江苏卷物理12.C）在衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953 年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在。（1）中微子与水中的11H发生核反应，产生中子（10n）和正电子（01e） ，即中微子+11H10n+01e，可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是。 （填写选项前的字母）（A）0 和 0 （B）0和 1 （C）1 和 0 （D）1 和 1 （2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电

30、子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子（） ，即01e+01e2。已知正电子和电子的质量都为9.110-31，反应中产生的每个光子的能量约为 J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是。（3）试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小。11.一个中子以1 9 107m/s 的速度射中一个静止的氮核147N,并发生核反应，生成甲、乙两种新核， 它们的运动方向与中子原来的运动方向相同，测得甲核质量是中子质量的11 倍，速度是 1106m/s， 乙核垂直进入B=2 T 的匀强磁场中做匀速圆周运动的半径为R=0 02 m，已知中子质量m=161027kg，e=161019C

31、，求乙核是何种原子核？并写出核反应方程。12.( 江苏省南京市20XX届高三质量检测）一个静止的铀核U23292（原子质量为232.0372u）放出一个 粒子（原子质量为4.0026u）后衰变成钍核Th22890（原子质量为228.0287u） 。（已知：原子质量单位1u=1.671027kg，1u 相当于 931MeV ）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆（1）写出核衰变反应方程；（2）算出该核衰变反应中释放出的核能；（3）假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和粒子的动能， 则钍核获得

32、的动能有多大？13.天文学家测得银河系中氦的含量约为25%.有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后2 分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的 . （1） 把氢核聚变反应简化为4 个氢核（H11） 聚变成氦核 （He42） ， 同时放出 2 个正电子（e01）和 2 个中微子（ov） ，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量. （2） 研究表明， 银河系的年龄约为t=3.81017s， 每秒钟银河系产生的能量约为11017J （即P11017J/s）.现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量（最后结果保留一位

33、有效数字）（3）根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断. （可能用到的数据：银河系质量约为M31041kg，原子质量单位1u1.661027kg，1u 相当于 1.51010J 的能量，电子质量m0.0005u，氦核质量m=4.0026u，氢核质量mD1.0078u，中微子ov的质量为零）五、宽乘高众所周知， 地球围绕着太阳做椭圆运动，阳光普照大地， 万物生长。 根据你学过的知以，试论述随着岁月的流逝，地球公转的周期，日地的平均距离及地球的表面温度变化的趋势。（不考虑流星及外星球与地球发生碰撞的可能性）。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -

34、- - - -第 13 页，共 14 页学而不思则惘，思而不学则殆【解析】太阳内部进行着激烈的热核反应，辐射大量光子， 根据质能方程E=m C2，可知太阳的质量M 在不断减小。由万有引力定律FGMm/r2知，太阳对地球的万有引力也在不断减小。根据牛顿第二定律Fmv2/r 知，日、地距离r 将不断增大。由v=rGM /知，地球环绕太阳运动的速度将减小（或地球克服引力做功，动能减小），所以地球运行周期T2r/v 将增大。由于太阳质量不断减小，辐射光子的功率不断减小，而r日地增大，所以辐射到地球表面热功率也不断减小。这样，地球表面温度也将逐渐降低。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 14 页