Fatti: A. A.A._ è proprietario nel Comune di Bellinzona del fondo part. n. 8264, ubicato nella frazione di Carasso, vicino all'autostrada N 2. Sulla particella, di complessivi 5047 m2 situati in parte fuori della zona edificabile, sorge una casa di abitazione. Il proprietario ha chiesto il 6 marzo 1972 all'Ufficio delle strade nazionali dell'allora Dipartimento delle pubbliche costruzioni un indennizzo per i disagi subiti in seguito alla messa in esercizio, nel giugno dell'anno precedente, dell'autostrada, segnatamente per la svalutazione della sua proprietà. B. Il 7 aprile 1977 il Presidente della Commissione federale di stima del 13° Circondario (CFS) ha comunicato ad A.A._ che considerava tempestiva ed ammissibile la notificazione della pretesa. Durante l'udienza di conciliazione tenutasi il 21 febbraio 1978, le parti hanno convenuto di sospendere la procedura in vista della realizzazione di manufatti di protezione fonica. Con decisione del 12 aprile 1991 il Presidente della CFS ha aperto la procedura espropriativa per la costruzione di un'opera di protezione fonica dal km 52,450 al km 53,910 e dal km 54,250 al km 55,310 della strada nazionale N 2 nel Comune di Bellinzona. Non risulta che A.A._ abbia notificato pretese nell'ambito di tale procedura. I lavori di costruzione dei ripari fonici sono terminati con il collaudo del 15 novembre 1995. Nel corso del 1996 l'Ufficio della prevenzione dei rumori del Dipartimento del territorio del Cantone Ticino ha eseguito delle misurazioni volte a controllare l'efficacia degli interventi di risanamento fonico. Dal rapporto del settembre 1996 è emerso che, dopo l'esecuzione dei ripari fonici, in corrispondenza della proprietà A._, i valori limite d'immissione sanciti dall'OIF per il grado di sensibilità II erano superati di notte. C. Con lettera del 10 agosto 2000 il Presidente della CFS ha informato il proprietario riguardo allo stato della procedura e gli ha assegnato un termine per formulare eventuali osservazioni in relazione a un'eventuale stralcio dai ruoli della stessa per mancanza d'interesse. Con scritto del 6 settembre 2000 il proprietario ha comunicato alla CFS di mantenere le proprie pretese e di opporsi pertanto allo stralcio della causa. Egli ha altresì rilevato che il disagio permaneva anche dopo la posa dei ripari fonici e che, essendo il traffico autostradale nel frattempo aumentato, occorreva comunque eseguire ulteriori misurazioni. Durante l'udienza del 17 dicembre 2001, le parti hanno tra l'altro chiesto alla CFS di pronunciarsi preliminarmente sulla perenzione e sull'eccezione di prescrizione sollevate dall'espropriante. Mediante una decisione parziale del 7 febbraio 2002, la CFS ha negato che le pretese avanzate dall'espropriato fossero perente o prescritte ed ha disposto la riattivazione della procedura al fine di esaminare la sua richiesta residua e determinare un'eventuale indennità. Tale decisione non è stata impugnata dalle parti ed è cresciuta in giudicato. La causa è pertanto ripresa dinanzi alla CFS, che, in occasione dell'udienza dell'8 aprile 2002, ha deciso, con l'accordo delle parti, di ordinare all'Ufficio della prevenzione dei rumori del Dipartimento del territorio nuove misurazioni foniche comparabili a quelle eseguite nel 1996. Detto Ufficio ha consegnato il 30 settembre 2002 il suo rapporto alla CFS, che l'ha trasmesso alle parti concedendo loro la possibilità di esprimersi al riguardo.