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Oggetto:
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Metodologie di caratterizzazione dei materiali con laboratorio

Oggetto:

Material characterization methods

Oggetto:

Anno accademico 2015/2016

Codice dell'attività didattica
MFN1266
Docenti
Prof. Sandro Uccirati (Titolare del corso)
Federico Picollo (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Anno
2° anno
Periodo didattico
Secondo semestre
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
8
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Frequenza alle lezioni facoltativa. Frequenza al laboratorio obbligatoria
Tipologia d'esame
Scritto ed orale
Prerequisiti
Matematica
Fisica 1 con laboratorio
Fisica 2 con laboratorio
Chimica Fisica II
Per la frequenza del laboratorio è necessario conoscere i protocolli di misura e la strumentazione, illustrate nelle lezioni propedeutiche.
Propedeutico a
Corsi del terzo anno per i due indirizzi
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Sommario insegnamento

Oggetto:

Obiettivi formativi

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti alcuni concetti fondamentali delle statistiche classiche e quantistiche, alcune applicazioni della meccanica quantistica, della fisica atomica e cenni sui fondamenti di fisica nucleare, al fine di fornire le basi per una adeguata comprensione di alcune tecniche e della relativa strumentazione per la caratterizzazione fisica dei materiali.

L’insegnamento offre altresì agli studenti la possibilità di effettuare misurazioni volte alla caratterizzazione dei materiali introdotte nelle lezioni frontali e di analizzare i dati sperimentali con strumenti informatici dedicati.

 

The teaching is aimed to introduce the basic concepts of quantum and classical statistics, some important applications of quantum mechanics, of atomic and nuclear physics, in order to provide the fundamentals to understand some important experimental methodologies and the relevant instrumentation for the physical characterization of materials.
The teaching gives the students the opportunity to use advanced instrumentation for material characterization, whose methodologies are introduced in preliminary lectures, and to analy<e experimental data with suitable informatics tools.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione:
-Conoscenza adeguata della natura corpuscolare della luce, della struttura dell’atomo e di concetti fondamentali della fisica del nucleo perla comprensione di alcune tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali.
- comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per la caratterizzazione dei materiali;
- Acquisizione del metodo sperimentale per effettuare correttamente misurazioni e di metodologie di analisi dei dati per trarre dalle misure le informazioni necessarie per la caratterizzazione dei materiali.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
- capacità di comprendere e padroneggiare i modelli fisici fondamentali
per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica;
- capacità di valutare gli ordini di grandezza, di svolgere calcoli elementari e di risolvere semplici problemi riguardanti le proprietà dei materiali;
- capacità di effettuare misure di laboratorio con l'utilizzo di strumentazione moderna seguendo un adeguato protocollo sperimentale;
- capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione statistica;
- capacità di redigere un resoconto scientifico in modo chiaro utilizzando una notazione scientifica corretta.

Knowledge and understanding:
- knowledge of the basic concepts regarding the nature of light, the atomic structure and nuclear physics in order to understand some of the most important experimental techniques for the characterization of materials;
- understanding of the functionalities of laboratory equipment and of
relevant experimental techniques for the characterization of materials;
- knowledge of an experimental methodology to correctly carry out measurements and data acquisition/analysis in order to extract parameters characterizing materials.
Applying knowledge and understanding:
- ability to understand and manage fundamental physical models to interpret physical phenomena on atomic scale
- ability to evaluate the order of magnitude of the physical observables, to perform basic calculations and to solve simple problems relevant the properties of materials;
- ability to take experimental measurements, using modern instrumentation and adopting a suitable experimental protocol;
- ability to interpret the experimental data using a correct statistical data
analysis;
- ability to write a clear scientific report, using correct scientific
terminology

Oggetto:

Modalità di insegnamento

L'insegnamento è di 8 CFU, di cui 6.5 CFU (corrispondenti a 52 h) di lezioni frontali e 1.5 CFU (corrispondenti a 24 h per studente) di attività in laboratorio; queste ultime si svolgeranno al termine delle lezioni frontali. 

Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

Argomenti trattati nelle lezioni frontali:

Statistica classica e statistiche quantistiche

  • Statistica di Boltzmann, 
  • Statistica di Bose Einstein: applicazioni al problema del corpo nero,cenni delle tecniche di colorimetria e termografia; principi difunzionamento del laser.
  • Elementi di spettroscopia ottica, colorimetria e termografia
  • Statistica di Fermi-Dirac: applicazione al modello del gas di elettroni
  • nei metalli.
  • La natura corpuscolare della luce:
  • quantizzazione dell'energia del campo elettromagnetico
  • effetto fotoelettrico
  • effetto termoionico

La natura ondulatoria della materia

  • Lunghezza d'onda di De Broglie; la relazione di indeterminazione
  • La funzione d'onda elettronica; elementi di diffrazione elettronica
  • Effetto Tunnel; cenni della microscopia tunnel a scansione (STM)

Elementi di Fisica Atomica

  • L'atomo di Bohr
  • Atomo di idrogeno, orbitali atomici, momento angolare orbitale e di spin.
  • Atomi multi elettronici.
  • Struttura della tavola periodica degli elementi
  • Magnetismo atomico - effetto Zeeman
  • Raggi X caratteristici

Elementi di fisica del nucleo

  • proprietà del nucleo
  • decadimenti radioattivi;
  • Le reazioni nucleari

Attività in laboratorio.
Le attività in laboratorio sono organizzate in 6 sessioni da 4 ore. Gli studenti iscritti all'insegnamento si distribuiranno in gruppo di 3 (max 4) membri.Ogni gruppo eseguirà tre fra le esperienze qui elencate:

  • Tecniche di fabbricazione e di misura delle basse pressioni.
  • Spettroscopia ottica e colorimetria
  • Spettroscopia di raggi x
  • Diffrazione ottica
  • Verifica della legge di Stefan Boltzmann

The course is structured in lectures (52 h) and laboratory activities (24
h/student).

The participation to the frontal lectures is not compulsory.
The participation to the ithe laboratory is  mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities

Topics:

Classical and quantum statistics

  • Statistical mechanics:
  • Boltzmann statistics .
  • Bose Einstein statistics: applications to the black body problem:
  • introduction to colorimetry and thermography; principles of laser.
  • Fermi-Dirac statistics: electron gas in metal.

The corpuscular nature of light.

  • The photon
  • Photoelectric effect
  • Thermoionic effect

The wave nature of matter

  • De Broglie’s hypotheses; Heisenberg uncertainty principle
  • The electron wavefunction: elements of electron diffraction.
  • Tunnel effect; elements of scanning tunneling microscopi (STM).

Elements fo atomic physics

  • The Bohr atom
  • The hydrogen atom: atomic orbitals; orbital and spin angular
  • momentum.
  • Multi electron atoms: elements of the photoemission techniques
  • (ESCA).
  • The periodi table.
  • The atomic magnetism; Zeeman effect

Elements of nuclear physics

  • Nuclear structure
  • Radioactive decay.
  • Nuclear reactions

Experimental activities:
The laboratory activities are organized in 6 sessions of 4 hours each.
Each student group will follow three among the activities listed below:

  • Vacuum techniques
  • Optical spectroscopy in transmittance and reflectance
  • Colorimetry
  • Optical diffraction
  • x-ray spectroscopy
  • Stefan-Boltzmann law
Oggetto:

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento si articolerà in tre valutazioni:

valutazione delle attività di laboratorio

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad utilizzare con procedure appropriate la strumentazione di laboratorio per la caratterizzazione dei materiali. Lo strumento di verifica è un rapporto tecnico delle attività svolte in laboratorio, redatto da ogni gruppo di lavoro. La relazione dovrà essere consegnata (in formato elettronico) entro una settimana dal termine delle attività di laboratorio. Eventuali ritardi saranno penalizzati in sede di valutazione. Entro una settimana dalla consegna delle relazioni i gruppi di lavoro verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull’analisi della relazione, in termini di uso corretto della notazione scientifica, uso corretto del protocollo di misura, adeguata analisi statistica dei dati. E’ richiesta la presenza  di almeno un rappresentante per gruppo. La valutazione finale sarà comune a tutti i membri del gruppo. La valutazione ha una validità di 24 mesi.

valutazione della prova scritta

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad applicare correttamente i modelli fisici fondamentali per l'interpretazione dei fenomeni su scala atomica, padroneggiare gli ordini di grandezza delle osservabili fisiche, svolgere calcoli elementari per risolvere semplici problemi riguardanti le proprietà dei materiali.  La prova scritta consiste in 6 esercizi simili a quelli svolti a lezione; questi ultimi sono riportati alla voce "esercizi" nel materiale didattico. La durata della prova scritta è di 2 ore. Non sarà consentito portare alla prova scritta libri o appunti; saranno disponibili dati essenziali (e.g. costanti fondamentali, tabella periodica degli elementi ed alcune formule fondamentali disponibili nelle pagine finali dell'eserciziario) per poter svolgere gli esercizi. La valutazione della prova scritta sostenuta in una sessione d'esame vale per tutta la sessione e solo per quella. Nel caso ci siano due appelli nella stessa sessione lo studente che superi entrambi gli scritti della sessione può presentarsi all'orale scegliendo la valutazione più favorevole.

PROVA SCRITTA DEL 01.07.2015

valutazione della prova orale

tale valutazione è volta a verificare la conoscenza dei modelli fisici fondamentali sulla natura corpuscolare della luce, struttura dell’atomo e dei concetti fondamentali della fisica del nucleo ed a verificare la capacità di esporre le tecniche sperimentali ed i modelli interpretativi delle attività svolte in laboratorio. Per accedere alla prova orale e' necessario aver superato nella stessa sessione una prova scritta con almeno 18/30 (in caso di aver sostenuto più di una prova scritta nella stessa sessione, verrà considerata solo quella con esito migliore) ed aver ottenuto una valutazione di almeno 18/30 delle attività di laboratorio. La prova orale consisterà in una domanda relativa alle esperienze in laboratorio ed una domanda sugli argomenti trattati a lezione.

Il voto finale sarà la media delle valutazioni (espresse in trentesimi) riportate nelle tre prove.

 Il calendario delle sessioni d’esame è riportato nella piattaforma ESSE3. Sessioni straordinarie possono essere richieste solo da studenti in prossimità di discutere la tesi e aventi questo come ultimo esame.

 

 

The exam is structured in three parts:

Laboratory reports:

This exam is aimed to verify the student abilities to properly use the instrumentation and data analysis techniques for the material characterization. The laboratory groups will have to present their group-based laboratory reports to the teacher within one week from the conclusion of the laboratory sessions. Any delay will be penalized in the assessment. Within one week from the report delivery, the groups will be invited to discuss the report. The discussion will be about the correct use of the scientific notation, of the experimental protocol and of the statistical data analysis. The assessment is relevant to all the group members and its validity is 24 months.

Written Exam:

The exam is aimed to verify the ability of the student to properly apply the fundamental physical models for the physical phenomena at the atomic scale, to master the order of magnitude of the physical observables and to solve problems relevant to material properties. The exam consists in 6 exercises similar to those presented during the course, which are available in the web page (esercizi); the duration of the exam is 2 hours. Students will not be allowed to carry books or notes; synthetic notes (with fundamental constants, periodic table of elements, several fundamental formulas, available at the end of “esercizi”) will be available to support the students in the exam. The written exam taken in a session is only valid for that session. If two exams are scheduled in a session, a student that took both exams can undertake the oral exam after choosing the highest of the two marks.

Oral Exam:

This exam is aimed to verify the knowledge of the fundamental physical models relevant to the corpuscular nature of light, structure of atoms and nuclei, and to verify the ability to properly show the experimental techniques and the interpretative models of the laboratory activities. Only students with a sufficient evaluation of their laboratory reports (>18/30) and of the written exam (>18/30) will be admitted to the oral exam. The exam will be focused on the physics, the instrumentation and the results obtained from the analysis of acquired data, relatively to the laboratory experience performed by the student and one question on topics presented during the course lectures.

The final mark will result from the average of the marks obtained in the 3 above-mentioned exams (evaluation of the laboratory reports, written exam, oral exam).
The calendar of exams sessions is shown on the ESSE3 website.
Extraordinary sessions can be granted to students only if they are close to their thesis dissertation, and if they don't have any courses left to follow and only one exam left to undertake.

 

Oggetto:

Programma

  • Lezione I: Martedì 15.03.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Introduzione alla meccanica statistica: [1] 10.1
    • L'equilibrio statistico: [1] 10.2
    • La ditribuzione di Maxwell-Boltzmann: [1] 10.3 fino a eq. 10.8
  • Lezione II: Mercoledi' 16.03.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La distribuzione di Maxwell-Boltzmann: [1] 10.3 fino alla fine (pag.440), Esempio 10.1 
    • Significato fisico di α e β : [1] 10.4 fino alla fine (pag. 446)
  • Lezione III: Giovedi' 17.03.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La ditribuzione di Bose-Einstein: [1] 13.5, Esempio 13.4
    • Spettro di corpo nero: [2] 49-1
    • Corpo nero: Esercizi ([2] 49.5, 49.7, 49.9).
  • Lezione IV: Martedi' 22.03.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Trattazione di Planck dello spettro di corpo nero: [2] 49-2, Esempio 2, 49-3, [4] dispense
    • Densita' degli stati di un gas di fotoni: [4] dispense
  • Lezione V: Mercoledi' 30.03.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Spettro di corpo nero come gas di fotoni: [1] 13.6, [4] dispense
    • Transizioni radiative stimolate, Laser/Maser: [1] Esempi 13.5, 13.6, [2] 52-5, 52-6, 52-7 (senza esempi)
  • Lezione VI: Giovedi' 31.03.2016 - Docente: Prof. F.Picollo
    • Radiazione di corpo nero: introduzione alla radiometria ed alla termografia
  • Lezione VII: Martedi' 05.04.2016 - Docente: Prof. F.Picollo
    • Introduzione alla colorimetria; tecniche sperimentali per la misura del colore
  • Lezione VIII: Mercoledi' 06.04.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • La ditribuzione di Fermi-Dirac: [1] 13.2, Esempio 13.1
    • Cenni sulla struttura a bande dei metalli: [1] 6.3
    • Il gas di elettroni: [1] 13.3 (senza esempi)
  • Lezione IX: Giovedi' 07.04.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Effetto termoionico: [1] 13.4 fino a pag. 527, esercizio
    • Effetto fotoelettrico: [2] 49.5-49.6, esercizio ([2] 49.41)
  • Lezione X: Martedì 12.04.2016 - Docente: Prof. S. Uccirati
    • Effetto fotoelettrico: esercizi ([2] 49.35, 49.37)
    • Breve ripasso su interferenza e diffrazione
    • Comportamento ondulatorio delle particelle: [2] 50-1
    • L'ipotesi di de Broglie: [2] 50-2
    • Lunghezza d'onda di de Broglie: Esercizi ([2] 50.1, 50.3).
    • Esperimento di Davisson-Germer: [2] 50-3
  • Lezione XI: Mercoledi' 13.04.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • Esperimento di Davisson-Germer e di G.P. Thomson: [2] Esercizi ([2] 50.13, 50.17)
    • La funzione d'onda: [2] 50-6.
  • Lezione XII: Giovedi' 14.04.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • Effetto tunnel: [2] 50-8, [4] dispense, Esercizi ([2] 50.41, 50.43, esercizio).
  • Lezione XII: Martedi' 19.04.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • La teoria di Bohr dell'atomo di idrogeno: [2] 51-1, Esempi 1 e 2
  • Lezione XIV: Mercoledi' 20.04.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • Atomo di idrogeno nella trattazione di Schrödinger: [2] 51-2
    • Momento angolare e magnetico dell'atomo di idrogeno: [2] 51-3
  • Lezione XV: Giovedi' 21.04.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • Esperimento di Stern e Gerlach: [2] 51-4
    • Lo spin dell'elettrone: [2] 51-5
    • I numeri quantici dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-6
    • Sdoppiamento delle linee spettrali, struttura fine: [2] 51-9
    • Effetto Zeeman: [2] 51-9 (fino a pag. 1178)
  • Lezione XVI: Martedi' 26.04.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • Atomo di Bohr: Esercizi ([2] 51.21, 51.25,51.31)
    • Lo stato fondamentale dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-7, Esempio 8
    • Il primo stato eccitato dell'atomo d'idrogeno: [2] 51-8
  • Lezione XVII: Giovedi' 28.04.2016 - Docente: Prof. F.Picollo
    • Introduzione alla tecnologia della produzione del vuoto
  • Lezione XVIII: Martedi' 03.05.2016 - Docente: Prof. F.Picollo
    • Tecniche di fabbricazione del vuoto
  • Lezione XIX: Mercoledi’ 04.05.2016 - Docente: Prof. F.Picollo
    • Tecniche di misurazione del vuoto
  • Lezione XX: Giovedi’ 05.05.2016 - Docente: Prof. F.Picollo
    • Introduzione alla fisica del nucleo
  • Lezione XXI: Martedì 10.05.2016 - Docente: Prof. F.Picollo
    • Reazioni nucleari e metodo del radiocarbonio
  • Lezione XXII: Mercoledì 11.05.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • Lo spettro a raggi X degli atomi: [2] 52-1, Esercizi ([2] 52.4, 52.6)
    • Classificazione degli elementi di Moseley: [2] 52-2
  • Lezione XXIII: Giovedì 12.05.2016- Docente: Prof. S. Uccirati
    • Regole per la costruzione degli atomi: [2] 52-3
    • Struttura della tavola periodica, configurazioni elettroniche, Energia di ionizzazione, transizioni ottiche: [2] 52-4, Esercizio ([2] 52.23)

  • Lesson I: Tuesday 15.03.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • Introduction to statistical mechanics: [1] 10.1
    • Statistical equilibrium: [1] 10.2
    • Maxwell-Boltzmann distribution: [1] 10.3 up to eq. 10.8
  • Lesson II: Wednesday 16.03.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • Maxwell-Boltzmann distribution: [1] 10.3 up to the ens (p. 440), Example 10.1 
    • Physical meaning of α and β : [1] 10.4 up to the end (p. 446)
  • Lesson III: Thursday 17.03.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • Bose-Einstein distribution: [1] 13.5, Example 13.4
    • Black body radiation: [2] 49-1
    • Black body radiation: Exercises ([2] 49.5, 49.7, 49.9)
  • Lesson IV:  Tuesday 22.03.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • Planck explanation of black body radiation: [2] 49-2, Example 2, 49-3, [4] notes
    • State density of a photon gas: [4] notes
  • Lesson V: Wednesday 30.03.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • Black body radiation as photon gas: [1] 13.6, [4] notes
    • Stimulated radiative transitions, Laser/Maser: [1] Examples 13.5, 13.6, [2] 52-5, 52-6, 52-7 (without examples).
  • Lesson VI: Thursday 31.03.2016 - Teacher: Prof. F.Picollo
    • Black body radiation: introduction to radiometry and thermometry
  • Lesson VII: Tuesday 05.04.2016 - Teacher: Prof. F.Picollo
    • Introduction to colorimetry: experimental technique for color measurement
  • Lesson VIII: Wednesday 06.04.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • The Fermi-Dirac distribution: [1] 13.2 (up to p. 524), Example 13.1
    • Band theory of metals: [1] 6.3
    • The electron gas: [1] 13.3 (without examples)
  • Lesson IX: Thursday 07.04.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • Thermionic effect: [1] 13.4 up to p. 527, exercise
    • Photoelectric effect: [2] 49.5-49.6, exercise ([2] 49.41)
  • Lesson X: Tuesday 12.04.2016 - Teacher: Prof. S. Uccirati
    • Photoelectric effect: exercises ([2] 49.35, 49.37)
    • Review on interference and diffraction
    • Wave-like bahaviour of particles: [2] 50-1
    • The de Broglie hypothesis: [2] 50-2
    • De Broglie wave-lenght: Exercises ([2] 50.1, 50.3)
    • Experiments of Davisson-Germer: [2] 50-3
  • Lesson XI: Wednesday 13.04.2016- Teacher: Prof. S. Uccirati
  • Lesson XII: Thursday 14.04.2016- Teacher: Prof. S. Uccirati
  • Lesson XIII: Tuesday 19.04.2016- Teacher: Prof. S. Uccirati
  • Lesson XIV: Wednesday 20.04.2016- Teacher: Prof. S. Uccirati
  • Lesson XV : Thursday 21.04.2016- Teacher: Prof. S. Uccirati
  • Lesson XVI: Tuesday 26.04.2016- Teacher: Prof. S. Uccirati
  • Lesson XVII: Thursday 28.04.2016 - Teacher: Prof. F.Picollo
    •     Introduction to the vacuum production technology
  • Lesson XVIII: Tuesday 03.05.2016 - Teacher: Prof. F.Picollo
    • Techniques of  vacuum production: pumping system
  • Lesson XIX: Wednesday 04.05.2016 - Teacher: Prof. F.Picollo
    • Techniques for vacuum measurement
  • Lesson XX: Thursday 05.05.2016 - Teacher: Prof. F.Picollo
    • Introduction to the physics of atomic nuclei
  • Lesson XXI: Tuesday, 10.05.2016 - Teacher: Prof. F.Picollo
    • Nuclear reactions and method of radiocarbon

Testi consigliati e bibliografia

Oggetto:

 [1] M.Alonso, E.J.Finn, Fundamental University Physics, Vol. III, Quantum and Statistical Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 12th ed., 1980.

[2] Halliday-Resnick-Krane, Fisica 2, Casa Editrice Ambrosiana, 2002

[3] L. Colombo, Elementi di Struttura della materia, Hoepli-Milano, 2002

[4] Dispense fornite dal docente e disponibili alla voce "Materiale Didattico"

 [1] M.Alonso, E.J.Finn, Fundamental University Physics, Vol. III, Quantum and Statistical Physics, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 12th ed., 1980.

[2] Halliday-Resnick-Krane, Fisica 2, Casa Editrice Ambrosiana, 2002

[3] L. Colombo, Elementi di Struttura della materia, Hoepli-Milano, 2002

[4] Lecture notes



Oggetto:

Orario lezioni

GiorniOreAula
Lezioni: dal 01/03/2016 al 10/06/2016

Nota: Per l'orario dettagliato consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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Ultimo aggiornamento: 11/05/2016 10:09