Gli stati della materia

La materia si presenta in diverse forme a seconda delle condizioni fisiche in cui si trova. I parametri fisici possibili da considerare sono molti e molti gli stati della materia descrivibili. Passiamone in rassegna i più comuni.

Stato o fase della materia?

Nel linguaggio della fisica si distingue tra stato della materia e fase della materia. Lo stato della materia è la categoria di base che raggruppa sistemi con comportamenti e proprietà simili: ad esempio solido, liquido, gas o plasma. La fase della materia è invece una regione chimicamente omogenea all’interno della materia, definita da proprietà macroscopiche uniformi e che può passare ad un’altra fase attraverso cambiamenti termodinamici, mutando o no il suo stato (per dire, può andare da solido a liquido, ma anche da solido a solido). Un esempio chiarificatore è quello del carbonio: sia il diamante sia la grafite appartengono allo stato solido, sono fatti di carbonio, ma sono fasi diverse perché la disposizione degli atomi e le proprietà fisiche non sono le stesse. Un altro esempio sono certi stati della materia in cui possono spontaneamente coesistere anche più fasi contemporaneamente, come per l’acqua al suo punto triplo (dove si trovo in maniera instabile in forma sia di ghiaccio, che di acqua liquida che di acqua aeriforme).

I principali quattro stati da conoscere

I quattro stati della materia che sperimentiamo più spesso sono solido, liquido, aeriforme e plasma:

• nei solidi le particelle occupano posizioni fisse con movimenti limitati, come per il ghiaccio, che mantiene la forma di cubetto in un bicchiere;
• nei liquidi esiste un volume definito, ma non c’è ordine tra la particelle, che si adattano ad occupare il loro contenitore, come l’acqua che segue i contorni di un bicchiere;
• negli aeriformi le particelle hanno bassa densità, ma si muovono liberamente riempiendo tutto il volume disponibile, come l’aria che respiriamo. Di solito si usa dire “gas” al posto di “aeriforme”, ma più precisamente un gas è una sostanza che (di solito) a temperatura ambiente (meglio, al di sopra della sua temperatura critica) è aeriforme;
• nel plasma, le particelle hanno energia sufficiente per dissociare gli atomi in ioni ed elettroni, come nelle lampade al neon in cui il gas ionizzato emette luce colorata.

Cambiamenti di stato della materia

Gli stati della materia sono intimamente collegati all’energia cinetica disponibile e all’interazione tra le particelle, che si riflettono nelle variabili macroscopiche quali temperatura, pressione e volume. Aumentando la temperatura, c’è più energia disponibile che fa vibrare o muovere più velocemente gli atomi, provocando cambiamenti di stato come fusione, evaporazione o ionizzazione. La pressione può invece favorire la condensazione o la cristallizzazione, dato che un suo aumento è segno di particelle più vicine. Questi cambiamenti avvengono quando il bilancio tra energia interna, forze di coesione e scambi di calore si modifica al punto da rendere più favorevole uno stato termodinamico rispetto ad un altro. Un esempio semplice è il ghiaccio, solido che, al di sopra di 0 °C a pressione atmosferica, assorbe calore e si trasforma in acqua liquida.

Oltre solido, liquido, gas e plasma.

Oltre ai quattro stati classici, la ricerca scientifica ha scoperto e teorizzato altre forme di materia, il che ha reso utile definire nuovi stati della materia. Studi di fisica quantistica a temperature prossime allo zero assoluto hanno portato alla scoperta dei condensati di Bose–Einstein, in cui atomi identici condividono lo stesso stato quantistico, iniziando a quel punto a comportarsi come una specie di super-atomo, ed a mostrare a livello macroscopico proprietà che usualmente sono confinate al livello microscopico. Altre indagini in regime di altissima energia, come negli acceleratori di particelle, hanno rivelato il plasma di quark e gluoni, dove queste particelle elementari sono libere dai confini che costituiscono protoni e neutroni, e diventano libere di muoversi nel plasma che formano. Tra gli stati meno comuni si possono citare quello superfluido, in cui un liquido scorre senza viscosità (stato osservato nell’elio liquido a bassissime temperature), o ancora lo stato in cui si trovano i cristalli liquidi come quelli degli LCD, che possono mostrare le caratteristiche di un liquido pur restando molto organizzate come un solido, per esempio avendo le molecole grossomodo allineate lungo una direzione, senza avere vincoli di movimento lungo le altre.

Sapevate che…

a cura di Gianfranco Longo