Una didattica per i ‘vecchi’ e i ‘nuovi’ stati di aggregazione
di Gian Paolo Parodi*

 

Gli stati di aggregazione della materia e i relativi passaggi di stato costituiscono un insieme di conoscenze fondamentali.
 I contributi che pubblichiamo sottolineano da una parte l’importanza di queste nozioni, dall’altra la necessità di ‘allargare gli orizzonti’ a stati non più rigorosamente individuabili come solidi, liquidi o aeriformi.

 Per fare alcuni esempi, citiamo:
    •     i cristalli amorfi, come il vetro;
    •     i cristalli liquidi, con comportamenti ibridi tra solidi e liquidi, che modificano la propria struttura interna cambiando colore se sottoposti a un campo elettrico;
    •     i superfluidi, caratterizzati dalla completa assenza di viscosità;
    •     i superconduttori, conduttori la cui resistenza elettrica alle basse temperature tende a zero;
    •     i plasmi, particelle cariche in movimento in continua interazione elettrica e magnetica.

Adeguare le spiegazioni agli stati ‘estremi’ della materia
 Se da una parte va didatticamente sottolineato come siano sempre i valori di pressione e di temperatura a determinare lo stato in cui ci appare una determinata sostanza, dall’altra va spiegato agli studenti che le nuove tecnologie, che hanno permesso di riprodurre in laboratorio condizioni estreme di pressione (da decine di atmosfere a pochi centesimi) e di temperatura (quasi lo zero assoluto, –273 °C), hanno reso possibile la scoperta di stati di aggregazione con proprietà talmente inconsuete (e inspiegabili dalla fisica classica) da meritare l’appellativo di ‘esotiche’.
 Ma le difficoltà esplicative sono direttamente proporzionali alle innumerevoli e affascinanti applicazioni (ampiamente descritte negli articoli): dai treni a levitazione magnetica alla possibilità di linee di trasferimento dell’energia elettrica ad altissima efficienza, alle nanotecnologie - così chiamate perché permettono di operare su particelle che misurano da un nanometro (pressappoco la dimensione di un atomo di idrogeno) a qualche centinaio di nanometri (la dimensione di una molecola biologica).

Lo studio degli stati della materia: un insegnamento ricorsivo
Per quel che riguarda gli stati ‘tradizionali’ della materia, questi fanno parte delle conoscenze di base nell’ambito fisico e chimico, in parte già sviluppate nel corso degli studi di scuola media inferiore. Tuttavia, l’argomento ricorre nell’organizzazione didattica dei contenuti e può essere ripreso più volte. Una prima volta si può affrontare l’aspetto fenomenologico ‘macro’ legato alla diversa disposizione di solidi, liquidi e gas, introducendo, con esempi quantitativi, i parametri fondamentali (pressione e temperatura) che regolano i fenomeni. In un secondo momento, si possono stabilire le relazioni tra l’aspetto macroscopico e quello microscopico: è questa l’occasione per interessarsi didatticamente dei cristalli (la cristallografia è a confine tra gli insegnamenti di Fisica, Chimica e Scienze della Terra e questo la penalizza) e della cinetica dei gas. Come è noto, i liquidi, con il loro carattere ‘ambiguo’, sono meno presenti nelle trattazioni di base; tuttavia, la loro importanza è cresciuta proprio grazie alle maggiori conoscenze sugli stati ‘estremi’ della materia e su argomenti quali la viscosità e la tensione superficiale (indispensabile per comprendere a fondo il passaggio liquido-gas). A questo punto è possibile introdurre in  modo più preciso i diagrammi di stato PT (il punto triplo è citato nell’articolo di Perozzi) e anche i diagrammi tridimensionali PVT per una visione d’insieme dei passaggi di stato.
 Invece, per quel che riguarda gli stati ‘estremi’ della materia, probabilmente la scelta più coerente sarebbe riunire tutti questi argomenti in una nuova unità didattica chiamata orientativamente Nuovi stati di aggregazione della materia o Struttura della materia, da svolgere, per esempio, l’ultimo anno dei corsi liceali, a conclusione del percorso didattico.

 La sua piena comprensione richiede, infatti, diverse conoscenze di Fisica, in particolare:
    •     di dinamica dei fluidi (viscosità);
    •     di elettricità e magnetismo (conduzione elettrica, campi elettrici e magnetici);
di meccanica quantistica (statistiche quantistiche, bosoni e fermioni).

 *Docente di Matematica e Fisica presso l'Istituto Superiore Montessori di Roma. Autore di libri di testo per la scuola secondaria superiore.

Pubblicato il 22/12/2006