Nuclei, Neutrini, Nobel La vita scientifica di Enrico Fermi
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Nuclei, Neutrini, Nobel La vita scientifica di Enrico Fermi Dott. Alex Casanova1 1 Gruppo Divulgazione Scientifica Dolomiti “E. Fermi” Belluno, 29/01/2011 A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 1 / 28 Introduzione A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 2 / 28 Introduzione Perchè parlare di Fermi? per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte che ha effettuato durante la sua vita; per parlare di un’eccellenza tutta italiana; perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino alle particelle elementari). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 3 / 28 Introduzione Perchè parlare di Fermi? per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte che ha effettuato durante la sua vita; per parlare di un’eccellenza tutta italiana; perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino alle particelle elementari). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 3 / 28 Introduzione Perchè parlare di Fermi? per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte che ha effettuato durante la sua vita; per parlare di un’eccellenza tutta italiana; perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino alle particelle elementari). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 3 / 28 Introduzione Perchè parlare di Fermi? per parlare del suo lavoro, dei risultati che ha ottenuto e delle scoperte che ha effettuato durante la sua vita; per parlare di un’eccellenza tutta italiana; perchè la vita scientifica di Enrico Fermi permette di ripercorrere la fisica dei primi anni del novecento (un viaggio immaginario dall’atomo fino alle particelle elementari). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 3 / 28 Argomenti Dividerò la vita scientifica di Fermi in tre fasi principali: 1 1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac 2 1929-1934: la Teoria del Decadimento Beta 3 1934-1938: dai neutroni lenti al Premio Nobel A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 4 / 28 1901-1922: la formazione 1901: Fermi nasce a Roma il 29 settembre; luglio 1918: saltando il terzo anno, consegue la licenza liceale; autunno 1918: Fermi viene ammesso alla Normale di Pisa. “In matematica e fisica dimostrava di conoscere molti argomenti non compresi nei nostri studi. Conosceva questi argomenti non in modo scolastico, ma in maniera tale da potersene servire con la massima abilità e consapevolezza. Già allora per lui conoscere un teorema e una legge scientifica significava soprattutto conoscere il modo di servirsene.” Enrico Persico, “Commemorazione di Enrico Fermi”, Pisa, 1955 A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 5 / 28 1901-1922: la formazione Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio. Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta: “Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford “Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld “Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e la Relatività Generale). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 6 / 28 1901-1922: la formazione Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio. Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta: “Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford “Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld “Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e la Relatività Generale). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 6 / 28 1901-1922: la formazione Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio. Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta: “Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford “Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld “Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e la Relatività Generale). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 6 / 28 1901-1922: la formazione Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio. Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta: “Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford “Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld “Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e la Relatività Generale). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 6 / 28 1901-1922: la formazione Durante gli anni universitari Fermi porta avanti un’intensa attività di studio. Tra il 1919 e il 1921 legge da autodidatta: “Radioactive Substances and their Radiactions” di E. Rutherford “Atombau und Spektrallinien” di A. Sommerfeld “Raum, Zeit, Materie” di H. Weyl In pratica, studia argomenti avanzati di fisica, chimica e matematica ancora poca noti in Italia (la fisica atomica, la radioattività, la meccanica quantistica e la Relatività Generale). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 6 / 28 1901-1922: la formazione Nel luglio del 1922 Fermi si laurea cum laude e ottiene il diploma della Scuola Normale con una tesi sperimentale sulle immagini di diffrazione dei raggi X. Franco Rasetti ricorda anni dopo: “A quell’epoca in Italia la fisica teorica non era considerata una disciplina da insegnare nelle università e una tesi in quel campo avrebbe rappresentato uno scandalo almeno per i membri più anziani della facoltà. I fisici erano essenzialmente fisici sperimentali e soltanto una tesi sperimentale sarebbe stata accettata da loro come una vera tesi di fisica.[. . . ]Questo spiega perché argomenti come la teoria dei quanti non avevano preso piede in Italia: rappresentavano una terra di nessuno fra fisica e matematica. Fermi fu il primo a colmare questa lacuna” A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 7 / 28 1926: la cattedra in Fisica Teorica 1926: O.M. Corbino istituisce la prima cattedra di Fisica Teorica in Italia. 1926: Fermi vince il concorso e a soli 25 anni diventa professore presso l’Università di Roma. Attorno a Fermi viene costruita una scuola di fisica moderna all’avanguardia; sono i “Ragazzi di Via Panisperna”: Franco Rasetti, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Ettore Majorana e, più tardi, Oscar D’Agostino e Bruno Pontecorvo. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 8 / 28 1926: la cattedra in Fisica Teorica 1926: O.M. Corbino istituisce la prima cattedra di Fisica Teorica in Italia. 1926: Fermi vince il concorso e a soli 25 anni diventa professore presso l’Università di Roma. Attorno a Fermi viene costruita una scuola di fisica moderna all’avanguardia; sono i “Ragazzi di Via Panisperna”: Franco Rasetti, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Ettore Majorana e, più tardi, Oscar D’Agostino e Bruno Pontecorvo. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 8 / 28 1926: la cattedra in Fisica Teorica 1926: O.M. Corbino istituisce la prima cattedra di Fisica Teorica in Italia. 1926: Fermi vince il concorso e a soli 25 anni diventa professore presso l’Università di Roma. Attorno a Fermi viene costruita una scuola di fisica moderna all’avanguardia; sono i “Ragazzi di Via Panisperna”: Franco Rasetti, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Ettore Majorana e, più tardi, Oscar D’Agostino e Bruno Pontecorvo. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 8 / 28 La Scuola di Roma “I Ragazzi di Via Panisperna” nel 1934 (O. D’Agostino, E. Segrè, E. Amaldi, F. Rasetti e E. Fermi). A destra il Regio Istituto di Fisica nel 1881. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 9 / 28 1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac 1923: i primi lavori di Fermi riguardano la fisica atomica e la Meccanica Quantistica. 1924: in “Considerazioni sulla quantizzazione dei sistemi che contengono degli elementi identici”, Fermi conclude: “L’insuccesso delle regole di Sommerfeld per il calcolo del valore assoluto dell’entropia di un gas è evitato quantizzando il moto di molecole identiche solo nel caso in cui in ogni cella sia contenuta una sola molecola” A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 10 / 28 1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac Gennaio 1925: Principio di Esclusione di Pauli Tale principio afferma che due particelle con spin semintero non possono essere caratterizzate dalla stessa sequenza di numeri quantici, ovvero una prima particella con determinate proprietà fisiche esclude automaticamente una seconda particella identica. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 11 / 28 1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac 7 Febbraio 1926: Fermi presenta all’Accademia dei Lincei l’articolo “Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico”, dove formula la sua teoria sul gas ideale di particelle che obbediscono al Principio di Esclusione di Pauli. 26 Agosto 1926: Dirac presenta un lavoro analogo alla Royal Society. Nasce la Statistica di Fermi-Dirac; oggi tutte le particelle che soddisfano questa legge vengono chiamate fermioni (elettroni, protoni, neutroni). A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 12 / 28 1923-1928: la Statistica di Fermi-Dirac Foto di gruppo durante un congresso internazionale di fisica, Como, settembre 1927 A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 13 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Trent’anni di studi sperimentali: 1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio; 1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β; 1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro continuo di energie; 1932: Chadwick scopre il neutrone. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 14 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Trent’anni di studi sperimentali: 1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio; 1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β; 1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro continuo di energie; 1932: Chadwick scopre il neutrone. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 14 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Trent’anni di studi sperimentali: 1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio; 1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β; 1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro continuo di energie; 1932: Chadwick scopre il neutrone. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 14 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Trent’anni di studi sperimentali: 1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio; 1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β; 1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro continuo di energie; 1932: Chadwick scopre il neutrone. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 14 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Trent’anni di studi sperimentali: 1896: Becquerel scopre la radioattività dell’uranio; 1899: Rutherford distingue tra radiazione α e radiazione β; 1911-1929: diversi studi sperimentali evidenziano come il decadimento beta sia caratterizzato dall’emissione di elettroni con uno spettro continuo di energie; 1932: Chadwick scopre il neutrone. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 14 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Processo elementare: n → p+ + e− Problemi: apparente violazione del principio di conservazione dell’energia; apparente presenza di elettroni all’interno del nucleo. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 15 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Processo elementare: n → p+ + e− Problemi: apparente violazione del principio di conservazione dell’energia; apparente presenza di elettroni all’interno del nucleo. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 15 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Processo elementare: n → p+ + e− Problemi: apparente violazione del principio di conservazione dell’energia; apparente presenza di elettroni all’interno del nucleo. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 15 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Wolfgang Pauli: “As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, because of the wrong statistics of the N- and Li-6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the “exchange theorem” of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that in the nuclei there could exist electrically neutral particles, which I will call neutrons [. . . ] The continuous beta spectrum would then make sense with the assumption that in beta decay, in addition to the electron, a neutron is emitted such that the sum of the energies of neutron and electron is constant.” Lettera del 4 Dicembre 1930 A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 16 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Enrico Fermi: “Teoria dell’emissione dei raggi beta della sostanze radioattive, fondata sull’ipotesi che gli elettroni emessi dai nuclei non esistano prima della disintegrazione ma vengano formati, insieme ad un neutrino, in modo analogo alla formazione di un quanto di luce che accompagna un salto quantico da un atomo. Confronto della teoria con l’esperienza” Tentativo di una Teoria dell’Emissione dei Raggi β, 1933 A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 17 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Nuovo processo elementare: n → p+ + e− + neutrino Da sottolineare: non esistono elettroni nel nucleo; questi vengono creati insieme ai neutrini; analogia con il caso elettromagnetico dei fotoni. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 18 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Nuovo processo elementare: n → p+ + e− + neutrino Da sottolineare: non esistono elettroni nel nucleo; questi vengono creati insieme ai neutrini; analogia con il caso elettromagnetico dei fotoni. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 18 / 28 1929-1934: la Teoria del Decadimento β Nuovo processo elementare: n → p+ + e− + neutrino Da sottolineare: non esistono elettroni nel nucleo; questi vengono creati insieme ai neutrini; analogia con il caso elettromagnetico dei fotoni. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 18 / 28 1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel Gennaio 1934: i coniugi Joliot-Curie annunciano la scoperta della radioattività artificiale. (“Artificial production of a new type of radioelements”, Nature). 30 α + 27 13 Al → 15 P + n A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 19 / 28 1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel Marzo 1934: pubblicato “Radioattività indotta da bombardamento di neutroni”. In particolare: vengono utilizzati come proiettili i neutroni; vengono effettuati studi sistematici “lungo” la tavola periodica. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 20 / 28 1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel Ottobre 1934: pubblicato “Azione di sostanze idrogenate sulla radioattività provocata da neutroni”. In particolare: le sostanze contenenti idrogeno (acqua, paraffina) rallentano i neutroni; i neutroni “lenti” sono più efficaci. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 21 / 28 1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel 1935-1936: Pontecorvo, Rasetti e Segrè si trasferiscono all’estero (Segrè vincerà il Nobel nel 1959) Gennaio 1937: muore Orso Mario Corbino Luglio 1937: muore Guglielmo Marconi Luglio 1938: pubblicato in Italia il Manifesto della Razza A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 22 / 28 1934-1938: dai neutroni lenti al Nobel Il 10 dicembre 1938 Fermi riceve il premio Nobel “for his demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons” A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 23 / 28 Conclusioni Riassumendo, Fermi: fu un grande fisico teorico e sperimentale; fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia; fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con grande disinvoltura e capacità di comprensione; fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri (interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare) A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 24 / 28 Conclusioni Riassumendo, Fermi: fu un grande fisico teorico e sperimentale; fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia; fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con grande disinvoltura e capacità di comprensione; fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri (interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare) A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 24 / 28 Conclusioni Riassumendo, Fermi: fu un grande fisico teorico e sperimentale; fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia; fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con grande disinvoltura e capacità di comprensione; fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri (interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare) A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 24 / 28 Conclusioni Riassumendo, Fermi: fu un grande fisico teorico e sperimentale; fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia; fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con grande disinvoltura e capacità di comprensione; fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri (interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare) A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 24 / 28 Conclusioni Riassumendo, Fermi: fu un grande fisico teorico e sperimentale; fu il protagonista di una scuola italiana all’avanguardia; fu capace di districarsi dalla fisica atomica alla fisica subnucleare con grande disinvoltura e capacità di comprensione; fu capace di aprire nuove strade per importanti sviluppi futuri (interazione debole e Modello Standard - fissione nucleare) A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 24 / 28 Conclusioni “Se le ricerche di Fermi fossero state pubblicate sotto il nome di diversi autori, quanti premi Nobel sarebbero stati assegnati? Credo non meno di sei” Bruno Pontecorvo A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 25 / 28 Fermi e le Dolomiti Estate 1938: Fermi mentre arrampica a S. Martino di Castrozza. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 26 / 28 Bibliografia L. Bonolis. “Cronologia dell’opera scientifica di Enrico Fermi”. in “Conoscere Fermi”, a cura di C.Bernardini e L.Bonolis, Editrice Compositori, Bologna, 2001, pp. 319-377. L. Bonolis. “Pauli, Fermi e i misteri del decadimento beta”. La Fisica nella Scuola, XXXVIII:100-119, 2005. E. Fermi. “Artificial radioactivity produced by neutron bombardment”. Nobel Lecture, Dicembre 1938. Sito dedicato a Fermi e alla sua scuola: http://www.accademiaxl.it/Biblioteca/Virtuale/Ipertesti/ScuolaFermi/home.html. A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 27 / 28 Contatti Sito internet: www.gdsdolomiti.org Indirizzo e-mail: [email protected] A. Casanova (GDS Dolomiti “E. Fermi”) E. Fermi: 1901-1954 Belluno, 29/01/2011 28 / 28
