氢氘原子光谱讲解
氢与氘原子光谱

氢灯
5)拍摄氢(氘)谱:换上装好底片(药面对光)的暗 盒,调节暗盒在15mm处,拍下氢光谱,曝光时间参考值:30 -60秒 ;(换上氘灯,暗盒调到35mm处,拍下氘光谱,曝 光时间参考值:2-5分钟)。
刻度 暗盒移动旋轮
6)拍摄铁谱:暗盒 移到25、45mm处,打开铁弧,调 节光稳定和光路,拍下铁光谱,曝光时间1-5秒。关闭暗 盒铁皮取下。
d1 、d 2 、d x
λx 为待测谱,
分别为它们的坐标刻度值,则:
λ2 − λ1
d 2 − d1
=
λx − λ1
d x − d1
dx
λx λ2 d2
d x − d1 λx = λ1 + (λ2 − λ1 ) d 2 − d1
λ1 d1
实验装置
小型棱镜摄谱仪 或多功能组合光栅光谱仪
实验内容பைடு நூலகம்步骤
谱片 放大倍数调节 标记点 谱片投影
调焦 标准谱片
(外)左右移动
(内)前后移动
认
标准 谱片
注意:谱片投影 和标准谱片的 谱线波长变化 方向要一致 查标准谱片 找出其波长
谱
特征 谱线 基本 对准
波长越长
铁 谱 谱 片 投 待 影 测 谱
λ1
λ2
λx
标记点
提示:通过查待测量谱线的理论波长 值,在理论值附近找就容易认出谱线.
多功能组合光栅光谱仪
多功能组合光栅光谱仪是一种新型测谱仪,由 单色仪、光接收单元、电控箱、计算机等组成。
显示器 单色仪 接收单元 电控箱 计算机 打印机
键盘、鼠标
多功能组合光栅光谱仪
狭缝调节轮 PMT CCD(背后) 电控箱
DVD
TP RWDS-8型组合多功能光栅光谱仪电控箱
试验原理1氢氘原子光谱氢原子光谱的规律氢光谱由许多谱线

实验原理1、 氢、氘原子光谱(1) 氢原子光谱的规律氢光谱由许多谱线组成,其中巴耳末线系的规律可表示为)121(122nR H -=λ (1.1) 式中,λ为谱线波长,H R 为氢的里德伯常数,n=3,4,5,……巴耳末线系是本实验拍摄和研究的对象.对应于n =3,4,5,…的谱线分别称H α,H β,H γ……它们的波长间隔、谱线强度都随n 的增大而有规律地减小.(2) 氢、氘原子光谱的异同设氢核质量为M H ,同位素氘核质量为M D .它们的里德伯常数R H 和R D 分别为mM M R R H H H +=∞ (1.2) mM M R R D D D +=∞ 其中,m 为电子质量,R ∞是认为原子核质量无限大时的里德伯常数.以λH 和λD 代表对应于同一n 值的氢和氘谱线的波长,则巴耳末系可表示为)121(122n R H H-=λ )121(122n R D D -=λ (1.3) 由于M D ≠M H ,由式(1.2)知R D ≠R H ,则式由(1.3)可知,对同一n 值,λD ≠λH .可见,氢、氘原子光谱既有如式(1.3)所示的相同规律,对同一n 值,波长λH 和λD 又有差异.只是其差值一般都小于0.2nm .所以在谱片上氢、氘谱线总是靠得很近.(3) 关于M D /M H ,由式(1.2)知)/()/(m M M m M M R R H H D D H D ++= 从中解得mM R R R R M M H H D H D H D /)1/(1/--= (1.4) 由式(1.3)知,R D /R H =λH /λD ,故式(1.4)可化为mM M M H H D H D H D /)1/(1/--=λλλλ (1.5) 取M H /m =1836,对每一对氢氘谱线测得λH 和λD ,由式(1.5)即可求得M D /M H .2 测算波长波长无法直接测量,需要寻找一个与波长有关又能直接测量的量. (1) 光栅光谱的特点 光栅摄谱仪的色散率d λ/d l 几近常数.两谱线波长差和距离成正比.这一特点将谱线的波长和谱线的坐标联系在一起.谱线在谱片上的坐标正是一个与波长有关又能直接测量的量.由谱线坐标即可推算其波长.(2) 线性内插法图1.1为光栅摄谱仪拍得的三条谱线.其中左右两条的波长λ1,λ2为已知,且λ2>λ1,中间谱线的波长λ待求.若能测定三条谱线的坐标x 1、x 和x 2,根据光栅光谱的特点应有111212x x x x --=--λλλλ从中解出)(112121x x x x ---+=λλλλ (1.6)由式(1.6)知:在谱片上,对任何一条未知波长的谱线,只要在其周围找到两条波长λ1和λ2已知的谱线,并测定三者的坐标x 1,x 和x 2即可推算出未知波长λ.实验中,常将铁谱和待测谱线上下并排拍在一张谱片上,每条铁谱的波长都可由特制的光谱图查得.应用式(1.6)的条件是波长λ和坐标x 有线性关系.若二者只在很小的范围内接近线性关系,如棱镜摄谱仪拍得的谱片,则在|x 2-x 1|较小的条件下也可应用.此时应在待测谱线两侧适当小的范围内选取已知波长的谱线.这就是在光谱实验中经常用以计算波长的“线性内插法”.实 验 装 置平面光栅摄谱仪,交流电弧发生器,氢氘灯,铁电极,阿贝比长计,光谱投影仪和光谱图.(1) 光路原理一般平面光栅摄谱仪的光路如图1.2所示.图中,M 1,M 2是同一大凹球面反射镜的下、上两个不同框形部分.光源A 发出的光,经三透镜照明系统L 1,L 2,L 3后均匀照亮狭缝S ,通过S 的光经小平面反射镜N 反射转向π/2后射向M 1,因S 由N 所成的虚像正好处在M 1的焦面上,所以狭逢上一点S 发出的光经M 1反射后成了微微向上射出的平行光,并正好射到N 后上方的平面反射光栅G 上.G 把入射光向M 2方向衍射.M 2把来自不同刻纹的同一波长的平行衍射光会聚成一点S λ’, S λ’正好落在照相胶版B 上.G 相邻刻纹的衍射光传播到S λ’的程差δ=d (sin i +sin θ),图 1.1式中d是光栅常数,I,θ分别是入射光、衍射光相对于G的法线的夹角,sinθ取+号是因为θ,i在法线的同侧.显然,Sλ’要是个亮点,必须δ=kλ,于是得光栅方程d(sin i+sinθ)=kλ,式中λ是光波波长,k=0¸±1, ±2,…叫衍射级.除0外,对同一k,因i相同而λ不同则θ将不同,也就是不同波长的像点Sλ'将落在B的左右不同位置,成为一个单色像Sλ'.狭缝S是连续的点的集合,所以Sλ'是一条亮线.对同一k,A发出的所有波长所形成的所有单色像构成A的光谱,用胶版B就可以把它们拍摄下来.图 1.2(2)中心波长和光栅转角的关系.Sλ'落在B中心线附近的波长λB叫中心波长.显然,这时θ=i,对1级谱,光栅方程变为2d sin I=λ0,所以中心波长λ0和i有—一对应关系.光栅安装在一个金属齿盘上,盘底的轴插在机座的轴套上,盘边有一蜗杆和齿轮啮合,蜗杆用一连杆和机壳外的手柄联结;转动手柄就可以转动光栅,并在手柄边上可以读出光栅转角i.仪器色散能力较大,一次摄谱B只能容下相差约100nm的波长范围,所以拍摄不同波段的光谱时,必须把光栅转到相应的i角位置.(3)谱级分离.设B上某点δ=600nm,对λ1=600nm的光波,k=1,得到了加强;对λ2=300nm 的光波,k=2,也得到了加强.这样在B上δ=600nm处出现的谱线,就无法确定它是λ1还是λ2,这叫谱级重叠.但λ2是紫外光,它不能透过玻璃,在狭缝前放一无色玻璃作为滤色片,所有紫外光便都到不了B,从而简单地实现了1级可见光谱和2级紫外光谱的分离,滤色后在δ=600nm处出现的谱线一定是λ1.(4)拍摄比较光谱的操作原则.谱线是狭缝的单色像.让12mm高的狭缝全部露出来被光照亮,可得到12mm 高的一系列谱线;让上端6mm露出,就得到上端6mm高的谱;让下端6mm露出,就得到下端6 mm高的谱.设想用Na(钠)黄光照亮S,先让上端6 mm露出摄谱后,保持胶版B和光栅转角i都不动,再换为下端 6 mm摄谱.这样摄得的4条谱线,一定是后二条在前二条的延长线上,因为它们只是同一狭缝上、下二段成像先后不同而已.Na黄双线的波长大家都很熟悉,由此我们推想:把先摄下的二条谱线看成波长未知的被测谱线,后二条看成“波长标尺”上波长已知的二条刻度线,显然测得的结果非常准确.由此得出操作原则:拍摄互相比较的两列光谱时,不能移动胶版,不能转动色散元件,只能在换光源后换用狭缝的相邻部位摄谱.换用狭缝的不同部位很简单,狭缝前有一金属薄圆盘,叫哈特曼光栏盘,盘上不同位置开了不同高度的方孔,转动盘子让狭缝在所需的孔中露出就行了.“波长标尺”也现成,Fe(铁)的光谱线相当丰富,波长都已知,把Fe的光谱拍在被测光谱的旁边,也就相当于摆上了一把“波长标尺”.Fe光谱可以用电弧发生器激发.(5) 氢氘光谱灯.氢氘光谱灯(或放电管)内所充的纯净氢氘气体,在高压小电流放电时分解成原子并被激发到高能态,在跃迁到低能态的退激过程中发出原子光谱.。
氢与氘原子光谱实验讲解

氢与氘原子光谱实验
实验目的
实验仪器
实验原理
实验内容
数据处理 思考问题
注意事项
实验目的
1. 了解光栅光谱仪的工作原理,掌握其使用用法; 2. 用光栅光谱仪测量氢(氘)原子光谱巴 尔末线系的波长,求里德伯常数。
实验仪器
5
1
4
2 3
图1 光栅光谱仪系统组成
1.光谱仪主机 2.控制箱 3.光源 4.光电倍增管 5. 计算机
可见光区域氢光谱谱线称为巴尔末线系,其分布规律
为:
1
RH(212
1) n2
RH 是实验常数,称为里德伯(Rydberg)常数。
由上式确定的氢谱线为巴尔末线系,当n=3,4,5,6时,所得的谱
线分别标记为 H 、H 、H 、H 。
根据波尔理论,可得出氢和类氢原子的里德伯常数为:
Rz
2 2e4 z4
m2凹面反射镜具有会聚和准值作用光线经m2入射到光栅m3凹面反射镜具有会聚和准值作用衍射光经m3入射到m4m4平面反射镜经会聚的衍射光线改变方向可在s2狭缝观察到衍射光
普通物理(近代物理)实验
氢与氘原子光谱实验
背景简介
光谱线系的规律与原子结构有内在的联系,因此,原子光谱是研 究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱的测 量结果,发现了氢光谱的规律,提出了著名的巴尔末公式,氢光谱规 律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础。1932年尤里根据 里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律,对重氢赖曼线系进行摄 谱分析,发现氢的同位素——氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德 伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一,成为检验原理论可靠 性的标准和测量其它基本物理常数的依据。
氢氘光谱1解读

同位素光谱——氘原子光谱19系04级 姓名 刘畅畅 日期2006年4月7日、4日 学号 PB04204051实验目的:本实验以氘原子光谱为研究对象, 研究获得同位素光谱的实验方法、分析方法及其在微观测量中的应用。
实验原理:一. 氢和它的同位素的光谱形成及特点。
根据玻尔理论,原子的能量是量子化的, 即具有分立的能级。
当电子从高能级跃迁到低 能级时,原子释放出能量,并以电磁波形式辐射。
氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波 数为:2二 2m e e 4Z 2(45)2h 3c(1m e)m z其中m z为原子核质量, m e 为电子质量,e 为电子电荷,h 为普朗克常数,;o 为真空介电 常数,c 为光速,Z 为原子序数。
因此类氢原子的里德伯常数可写成: 2 4 2 .2- mue Z1Rz2~3~(4二;。
)h c (r 匹)m z若m z —•',即假定原子核不动,则有:因此,由此可见,R z 随原子核质量 m z 变化,对于不同的元素或同一元素的不同同位素 R z 值不同。
m z 对R z 影响很小,因此氢和它的同位素的相应波数很接近,在光谱上形成很难分辨的双线或多线。
12)(2)2二 2m e e 4Z 2(4」)2h 3c(3)(1m em z(4)代入式(11),可求得氘与氢原子核的质量比m D / m H 。
式中为氢原子核质量与电子质量比,公认值为1836.1515 。
因此将通过实验测得的 卫2m eR H二.氢和氘的里德伯常数。
设氢和氘的里德伯常数分别为 R H 和R D ,则:氢、氘光谱线的波数 CH 、二D 分别为[1 1 .叭=R HIn = 3,4,5. (5)l2 n 丿 1 1:「D = R D [ 2 …~~2 n = 3,4,5.( 6)12 n J氢和氘光谱相应的波长差为因此,通过实验测得氢和氘的巴耳末线系的前几条谱线的谱长及其波长差, 即可求得氢与氘的里德伯常数R H 和R D 。
1-2氢-氘原子光谱

1-2 氢-氘原子光谱引言原子光谱的研究,为量子理论的建立提供了坚实的实验基础。
氢原子是结构最简单的原子,其光谱也是最简单的。
1885年,巴尔末(J.J.Balmer )根据人们的观测数据,总结出了氢原子光谱线的经验公式。
1913年,玻尔(N.Bohr )在巴尔末研究成果基础上,提出了氢原子的玻尔模型;1925年,海森伯(W.Heisenberg )提出的量子力学理论,也是建立在原子光谱的测量基础之上的。
现在,原子光谱的观测研究,仍然是研究原子结构的重要方法之一。
20世纪初,人们根据实验预测氢有同位素。
1919年发明质谱仪后,物理学家用质谱仪测得氢的原子量为1.00778,而化学家由各种化合物测得的结果为1.00779。
基于上述微小的差异,伯奇(Birge)认为氢有同位素2H (元素左上角标代表原子量),它的质量约为1H 的2倍,据此他算得1H 和2H 在自然界中的含量比大约为4000:1。
由于里德伯(J.R.Rydberg)常量和原子核的质量有关,因此,2H 的光谱相对于1H 的应该会有位移。
1932年,尤雷(H.C.Urey)将3L 液氢在低压下细心蒸发至1mL 以提高2H 的含量,然后将这1mL 液氢注入放电管中,用它拍得的光谱,果然出现了相对于1H 移位了的2H 的光谱,从而发现了重氢,取名为氘,化学符号用D 表示。
由此可见,对样品的考究,实验的细心,测量的精确,于科学进步非常重要。
预习思考1. 巴尔末总结出来的氢原子光谱线的经验公式是什么? 2. 如何利用测量的氢、氘光谱线计算相应的里德伯常数? 3. 棱镜摄谱仪、光栅光谱仪是如何实现波长选择的?实验目的1. 加深对氢光谱规律和同位素位移的认识。
2. 通过计算氢、氘原子的里德伯常数,了解精密测量的意义。
3. 掌握利用摄谱仪、光栅光谱仪测量氢、氘原子光谱的方法。
实验原理1885年,巴尔末发现了氢原子光谱的规律,特别是位于可见光区的四条H α,H β,H γ和H δ谱线,其波长可以很准确的用经验公式(巴尔末公式)来表示。
氢氚光谱实验报告

一、实验目的1. 了解氢氚原子光谱的基本原理和实验方法;2. 通过实验,观察氢氚原子光谱的巴耳末系,测量谱线波长,计算里德伯常数;3. 比较氢和氚原子光谱的差异,分析同位素效应。
二、实验原理氢氚原子光谱实验基于玻尔理论,通过测量氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长,计算里德伯常数,从而验证玻尔理论。
氢氚原子光谱实验原理如下:1. 氢原子光谱:氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。
当氢原子中的电子从高能级跃迁到低能级时,会释放出光子,形成光谱线。
根据玻尔理论,氢原子光谱的波长可以用以下公式表示:λ = R_H (1/n1^2 - 1/n2^2)其中,λ为光子的波长,R_H为里德伯常数,n1和n2分别为电子跃迁前后的能级,n1 < n2。
2. 氢氚原子光谱:氚是氢的同位素,原子核中含有一个质子和两个中子。
由于氚原子核质量大于氢原子核,其里德伯常数会略有不同。
通过测量氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长,可以计算出两种同位素的里德伯常数,并分析同位素效应。
三、实验仪器与设备1. 光栅光谱仪:用于测量光谱线波长;2. 氢氚灯:提供氢和氚原子光谱光源;3. 激光切割机:用于切割光栅;4. 光栅:用于分光;5. 计算机及数据处理软件:用于数据处理和分析。
四、实验步骤1. 将光栅光谱仪调至合适的工作状态,确保仪器稳定;2. 将氢氚灯接入光谱仪,调整光谱仪参数,使光谱仪能够接收氢和氚原子光谱;3. 打开氢氚灯,观察光谱仪屏幕,调整光栅角度,使光谱线清晰;4. 记录氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长;5. 根据实验数据,计算氢和氚的里德伯常数;6. 分析实验结果,比较氢和氚原子光谱的差异,讨论同位素效应。
五、实验数据与结果1. 氢原子光谱巴耳末系谱线波长(单位:nm):- 656.3- 486.1- 434.0- 410.12. 氢原子里德伯常数(R_H):1.0973731×10^7 m^-13. 氚原子光谱巴耳末系谱线波长(单位:nm):- 656.3- 486.2- 434.2- 410.24. 氚原子里德伯常数(R_D):1.0973727×10^7 m^-1六、分析与讨论1. 实验结果表明,氢和氚原子光谱的巴耳末系谱线波长相近,但略有差异。
1-1 氢(氘)原子光谱

专题实验1 光谱的测量与分析1.1 氢(氘)原子光谱原子光谱是建立量子理论的实验基础。
1885年,巴尔末(J. J. Balmer )根据已有的观测结果,提出氢光谱线的经验公式。
波尔(N. Bohr )1913年2月看到这一公式,3月6日就建立了氢原子理论;海森堡(W. Heisenberg )在1925年提出量子力学理论也是基于原子光谱的实验成就;光谱的精细结构使人们认识到核外电子的运动状态除了存在主能级量子化以外,还有亚能级量子化。
1932年,尤里(H. C. Urey )将3 liter 液态氢在低压下缓慢蒸发至1 ml 后,注入放电管,拍摄其巴尔末线系光谱,发现在普通氢(氕)每条谱线的短波侧都出现一条弱的伴线,从而证实了氘的存在。
这是原子核质量差异导致里德伯常数发生变化的结果,称为同位素移位。
对于重核,同位素移位并不明显,但是中子数不同会引起核自旋发生改变,光谱结构还是会复杂化,这就是所谓的超精细结构。
今天,原子光谱仍然是研究原子结构的重要方法。
一、实验目的(1)了解光栅光谱仪等常见光谱分析仪器的原理和使用方法; (2)通过测量巴尔末线系的谱线波长,计算氘的里德伯常数。
二、实验原理原子虽然是元素的最小单元,但还具有复杂的核式内部结构,核外是绕核运动的电子。
α粒子散射实验肯定了原子的核式结构,而对核外结构的认识则是从光谱研究开始的。
光谱记录了电磁辐射随波长变化的强度分布,是研究原子结构的重要手段。
通过测量原子发光光谱中各谱线的波长,可以推算出原子的能级结构,从而得到有关原子微观结构的信息。
光谱主要指发射光谱或吸收光谱。
发射光谱是由发光体直接产生的光谱,例如,由炽热的固体、液体和高压气体发光形成的连续光谱和由稀薄气体或者金属蒸汽发光形成的明线光谱都属于发射光谱。
吸收光谱则是连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。
吸收光谱中的每条暗线都与物质的特征谱线相对应。
在所有的元素中,氢的原子结构最简单,从氢原子明线光谱理解原子的核外结构也最直观。
氢氘光谱

实验题目:氢氘光谱实验目的:本实验以氘原子光谱为研究对象,研究获得同位素光谱的实验方法、分析方法及其在微观测量中的应用。
实验仪器:WGD-8型多功能光栅光谱仪、氢氘灯、汞灯、微机等。
实验原理:(点击跳过实验原理)1. 原理:根据玻尔理论,原子的能量是量子化的,即具有分立的能级。
当电子从高能级跃迁到低能级时,原子释放出能量,并以电磁波形式辐射。
氢和类氢原子的巴耳末线系对应光谱线波数为:)121()1()4(222320242nm m c h Z e m Ze e -+=πεπσ(1)其中m Z 为原子核质量,m e 为电子质量,e 为电子电荷,h 为普朗克常数,ε0为真空介电常数,c 为光速,Z 为原子序数。
因此类氢原子的里德伯常数可写成:)1(1)4(2320242Ze e Z m m ch Ze m R +⋅=πεπ(2)若∞→Z m ,即假定原子核不动,则有:ch Ze m R e 320242)4(2πεπ=∞ (3)因此:)1(Ze Z m m R R +=∞ (4)由此可见,R Z 随原子核质量m Z 变化,对于不同的元素或同一元素的不同同位素R Z 值不同。
m Z 对R Z 影像很小,因此氢和它的同位素的相应波数很接近,在光谱上形成很难分辨的双线或多线。
设氢和氘的里德伯常数分别为R H 和R D ,氢、氘光谱线的波数σH 、σD 分别为:⎪⎭⎫ ⎝⎛-=22121n R H Hσn=3,4,5 (5)⎪⎭⎫⎝⎛-=22121n R D D σ n=3,4,5… (6)氢和氘光谱相应的波长差为:)1()1()1(DH H DH H HD H D H R R -=-=-=-=∆λσσλλλλλλλ(7)因此,通过实验测得氢和氘的巴耳末线系的前几条谱线的谱长及其波长差,可求得氢与氘的里德伯常数R H 、R D 。
根据式(4)有:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∞H e Hm m R R 1/ (8) ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=∞D e D m m R R 1/(9) 其中m H 和m D 分别为氢和氘原子核的质量。
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H
364.56
n2 n2
4
H
R
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 22
1 n2
nm
cm1
Rcm1
里德伯常量
3.玻尔能级跃迁理论
常量
原子核 质量
R
2 2me4
40 2 ch3 1 m
M
1 R 1 m
M
氢、氘原子光 谱波长测量
里德伯 常量
原子核 质量比
MD
2、将中心波长调至590nm处,通过汞灯的三条光谱, 手动定标,测量出氢、氘的各一条光谱线的波长
3、数据处理得出 RH , RD , M D M H ,及不确定度。
注意事项 1、不能连续点击程序,易导致死机。
2、氢氘灯光强不足,注意调节聚焦,曝光时间, 狭缝宽度。去除背景光。
3、注意灯管高压,以防触电!
近代物理实验:氢与氘原子光谱
1. 氢原子光谱线
实验原理
谱线名称
Hα Hβ Hγ Hδ Hε Hζ
量子数(n)
3 4 5 6 7 8
颜色
红 深绿
青 紫 紫 紫
波长(单位: nm) 656.279 486.133 434.047 410.147 397.007 388.905
2.巴耳末公式与里德伯常量
m
常量,P70
H
真空波长,P70
M H M H D H Dm / M H
实验仪器
问题1:如何激发原子光谱?
高压放电
能级跃迁
原子辐射
问题2:如何测量波长?
WGD-6型光学多道分析器
准光镜
M2
M3
物镜
入射狭缝
S1
M1 反射镜 G 光栅 分光镜 M4
S2
S2
CCD
S3
出射狭缝
检索中心波长
问题3:如何定标波长?
汞灯主要光谱
紫色 △404.66 强 紫色△435.84 强 蓝绿色△491.60 强 绿色△546.07 强 黄色 △576.96 强 黄色△579.07 强
手动定标(内插法)
实验步骤 1、将中心波长调至480nm处,通过汞灯的三条光谱, 手动定标,测量出氢、氘的各三条光谱线的波长。
思考题:p73页第二题
谢 谢!