חומר

ערך זה עוסק בכל דבר בעל מסה התופס נפח. אם התכוונתם למשמעות אחרת, ראו חומר (פירושונים).

חומר הוא כל דבר בעל מסה התופס נפח במרחב.

בסביבתנו הקרובה מוצרים רבים – שולחנות, ספרים, עטים, חלונות – העשויים כולם מחומר. השולחנות עשויים עץ ופלסטיק, הספרים עשויים מנייר, החלונות עשויים מאלומיניום וזכוכית, גופם של בעלי החיים והצמחים מורכב ממים, משומנים, מחלבונים, מפחמימות וממינרלים. סלעים עשויים מחומרים שונים כמו: גיר, צור, בזלת וחול. אוויר הוא סוג של חומר, והוא מכיל חמצן, חנקן, אדי מים, פחמן דו-חמצני ועוד.

חומרים קיימים במגוון רב של תכונות: מצב צבירה, צבע, צפיפות, חוזק, קשיות, מוליכות חשמלית ועוד.

מעבר לכל התכונות הללו נמצא כי קיימים מאפיינים המשותפים לכל החומרים ביקום, וכי כל החומרים בנויים ממספר קטן של אבני יסוד (ראו גם מיון החלקיקים וכן חלקיק יסודי).

שאלת מבנה החומר, כלומר השאלה מהן אבני הבניין היסודיות של שפע החומרים הסובבים אותנו, העסיקה את האדם כבר מהעת העתיקה. כיום ידוע שהמבנה הבסיסי של החומר הוא המולקולה, שקובעת את תכונות החומר, אשר מורכבת מאטומים (שנקראים גם יסודות כימיים), ושהם בתורם מורכבים מחלקיקים קטנים יותר. שאלת המבנה הבסיסי ביותר של החומר עודנה פתוחה במדע.

החומר ביקום בו אנו חיים מורכב מאטומים (שלרוב מתחברים אחד לשני ליצירת מולקולות) ושני אלו אף יוצרים תערובות שונות.

מבנה החומר

כבר מהעת העתיקה, התעניינו פילוסופים בשאלת מבנה החומר, כלומר מהותו והרכבו הבסיסי. אחת התאוריות הראשונות שבאו לענות על שאלה זו היא תאוריית ארבעת היסודות שנוצרה במאה ה-6 לפני הספירה ביוון העתיקה על ידי הפילוסוף אמפדוקלס. תאוריה זו גורסת כי כל החומר בעולם מורכב מארבעה יסודות: מים, אש, אוויר ואדמה. מרבית חכמי יוון הסכימו עם תאוריה זו, והיא הייתה מקובלת עד לימי הביניים.

תאוריה נוספת שנוצרה ביוון העתיקה היא האטומיזם של דמוקריטוס (עסקו בה גם לאוסיפוס ואפיקורוס), לפיה מורכבים החומרים בטבע מחלקיקים זעירים, שאותם כינה אטומים, להם זיזים ושקעים, המסוגלים להתחבר זה לזה (על-פי דמוקריטוס גם תכונות רוחניות היו מורכבות מאטומים).

בימי הביניים חקר החומרים נעשה תחת "מדע" האלכימיה, שהיה ערוב של מדע ואמונות טפלות. בבסיסה של האלכימיה עמדו מספר אמונות חסרות בסיס כמו קיומה של אבן החכמים שיכולה להפוך עופרת לזהב, וכמו קיומו של מעיין הנעורים או הגביע הקדוש שיכולים לרפא כל מחלה ולהביא חיי נצח. למרות זאת האלכימיה תרמה גם לביסוס השיטה המדעית וכבסיס לכימיה המודרנית.

בעת החדשה נזנחה תורת ארבעת היסודות, והתורה האטומית זכתה לחיזוק ולביסוס. אף על פי שאייזק ניוטון האמין במאה ה-17 כי חומר מורכב מחלקיקים, היה זה ג'ון דלטון שביסס בשנת 1802 את ההשערה שכל החומרים מורכבים מאטומים. הטבלה המחזורית הראשונה של דימיטרי מנדלייב בשנת 1869 עזרה לחזק את הרעיון, שהיה נפוץ במהלך המאה ה-19, לפיו החומר מורכב מאטומים, שלהם כמאה סוגים (יסודות).

"אטום" פירושו בלתי פריק, אך בסוף המאה ה-19 ובתחילת המאה ה-20 החל פיתוחן של תאוריות העוסקות במרכיבי האטום. בשנת 1897 גילה ג'יי ג'יי תומסון את החלקיק התת-אטומי הראשון – האלקטרון. בשנת 1918 גילה ארנסט רתרפורד את הפרוטון – מרכיב כבד של גרעין האטום, להבדיל מהאלקטרון הקל, הסובב את הגרעין. בשלהי 1932 גילה הפיזיקאי ג'יימס צ'דוויק את הנייטרון, המרכיב גם הוא את גרעין האטום. בתחילה חשבו שגרעין האטום מורכב מפרוטונים ואלקטרונים מוגבלים (אותם המציאו כדי להסביר את ההבדל בין המספר האטומי למסה האטומית), אך לאחר מכן נתגלה כי הם מורכבים מפרוטונים ונייטרונים.

המחקרים של המאה העשרים בפיזיקה גרעינית ופיזיקת החלקיקים, יחד עם הוכחות לביקוע גרעיני ולהיתוך גרעיני, פתחו פתח לאפשרות של הפיכת יסוד אחד לאחר, אף כי גם כיום היכולת הזו רחוקה מחלומותיהם של האלכימאים מימי הביניים.

בשנות ה-50 וה-60 התפתחה פיזיקת החלקיקים ונתגלו סוגים רבים של חלקיקים, שזכו לכינוי "גן החיות של החלקיקים". המגוון הרחב הוביל לספק שחלקיקים אלה אכן מהווים חלקיקים יסודיים, ולשאלה ממה מורכבים חלקיקים אלה. בשנות ה-70 נוסח המודל הסטנדרטי, שבו קיומו של מספר רב כל-כך של חלקיקים הוסבר כצירופים של מספר קטן של חלקיקים יסודיים במודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים.

כיום ידועים 17 חלקיקים יסודיים (ועוד אנטי חלקיק מתאים לכל אחד מהם). מתוכם שני קווארקים והאלקטרון מרכיבים את החומר הסובב אותנו ביום-יום, וארבעה אחרים מתווכים את כוחות היסוד בטבע (מלבד כוח הכבידה שאינו מתואר כיום באמצעות חלקיקים). ב-14 במרץ 2013 הודיעו הפיזיקאים במאיץ החלקיקים בשווייץ כי הם משוכנעים במידה רבה שהחלקיק אותו הם גילו הוא אכן בוזון היגס^[1]. ניסויים במאיצי חלקיקים מתרכזים בחיפוש תשובה לשאלה, שעודנה נותרת פתוחה: האם קיימים חלקיקים יסודיים יותר, או שמא המודל הסטנדרטי מספק תשובה סופית למבנהו הבסיסי ביותר של החומר.

שקילות מסה ואנרגיה

תורת היחסות הפרטית קובעת שקילות בין מסה ואנרגיה, לפי הנוסחה E=mc². גוף יכול לאבד ממסת המנוחה שלו לטובת צורה אחרת של אנרגיה, למשל חום (פיזיקה). התופעות המציגות זאת באופן הבולט ביותר הן ביקוע גרעיני והיתוך גרעיני.

חלוקת חומרים

1. חומרים טבעיים: חומרים הנמצאים בטבע, ידועים בשם חומרי גלם לדוגמה: עץ, גומי, נחושת, נפט גולמי ועוד.

מתכת – יסוד הנמצא בטבע במצב מוצק.

2. חומרים הנדסיים: חומרים סינתטיים, המיוצרים בידי האדם על ידי שילובים שונים של חומרי גלם, כמו:

תערובת מתקבלת על ידי ערבוב חומרי יסוד שונים, בתערובת כל חומר שומר על תכונותיו השונות, ניתן להשתמש בעובדה זו כדי להפריד את החומרים זה מזה בשיטות מכניות פשוטות, סלט פירות הוא דוגמה לתערובת, נפט גולמי (שממנו מפיקים דלק ושמנים שונים) הוא דוגמה נוספת לתערובת.
תרכובת היא צירוף של שני חומרי יסוד או יותר שבעקבותיו מתקבל חומר חדש, בעל תכונות חדשות ושונות מאלה של החומרים המרכבים. מים הם תרכובת הנוצרת מהתרכבות של שני גזים: מימן וחמצן.
סגסוגת (נתך) היא חומר מתכתי המתקבל מהתכה בתנור של שני יסודות או יותר שהעיקרי ביניהם הוא מתכת, לדוגמה פלדה, היא סגסוגת המורכבת מברזל בתוספת 1.5 אחוז פחמן ולעיתים תוספת מנגן לקבלת קשיחות וקפיצות, פליז היא סגסוגת המורכבת מנחושת ואבץ, מייצרים סגסוגת בתהליך של התכה וערבוב. כאשר החומר מתמצק מתקבלת הסגסוגת שהיא מתכת בעלת תכונות הרצויות ליוצר.

יסודות

ערך מורחב – יסוד כימי

כל חומר מורכב מאטומים או יסודות, על מנת לעשות סדר ביסודות בנה המדען הרוסי דמיטרי מנדלייב טבלה מחזורית בה מיקומו של כל יסוד מלמד על תכונותיו.

פולימרים

פולימר – חומר הבנוי ממולקולות ענק, שבכל אחת מהן קשורות זו לזו הרבה יחידות דומות החוזרות על עצמן במחזוריות קבועה. מחולקים ל:

פולימרים טבעיים, קימים בטבע, דוגמאות: חלבונים ועמילנים הנמצאים במזון, צמר, סיבי כותנה, סיבי פשתן, משי, תאית כחומר גלם לניר, שרפים טבעים כמו גומי.
פולימרים סינתטיים (מלאכותיים), מיוצרים ברובם מנפט ונגזרותיו.

חומרים קרמיים

חומרים קראמיים הם חומרים בעלי יכולת עמידות בטמפרטורות גבוהות, המיוצרים על ידי קליית חרסית. בחומרים הקראמיים האטומים קשורים זה לזה בקשרים חזקים ויוצרים מבנה גבישי. מאחר שאין אלקטרונים חופשיים החומרים הקראמיים הם מוליכים גרועים של חום וחשמל ובעלי עמידות גבוהה בטמפרטורות גבוהות. דוגמאות לחומרים קרמיים: יהלום, גרפיט, כלי זכוכית, כלי חרס, בטון.

חומרים מרוכבים

חומר מרוכב – חומר מעשה האדם המיוצר משני חומרים (או יותר), השונים זה מזה בתכונותיהם ואינם מתערבבים זה בזה, חומר מרוכב מיוצר במטרה לקבל תכונות ואפיונים מיוחדים. חומרים מרוכבים הם קבוצות חומרים שבנויים משילוב של שניים או יותר חומרים. השילוב נעשה כך שנוצר חומר מרוכב שתכונות המבנה שלו משופרות בהשוואה לחומרי הבניין. אך ניתן לפירוק לחומרי היסוד. החומר המרוכב אינו תרכובת חדשה, כל אחד מהחומרים המשולבים בו שומר על זהותו ותכונותיו. עצם השילוב בין החומרים מביא לשיפור בתכונות המבנה, (לדוגמה שיפור בתכונות מכניות כמו חוזק).

חומר מרוכב יכול להיות

גרגרי – כמו בטון, בו גרגרי חצץ וגרגרי חול טבולים בתוך עיסת צמנט, העיסה כולה מתקשה ויוצרת חומר בעל חוזק.
סיבי – כמו בטון מזוין, בו יש מוטות ברזל סביבן יוצקים את עיסת הבטון.
שכבתי – כמו דיקט בו לוחות דקים מודבקים בעזרת שכבות דבק.

תכונות חומרים

פיזיקליות – תכונות הנובעות ממבנהו הפנימי של החומר ומתארות אותו.
- מסה: גודל המתאר שתי תכונות של גוף: המדד להתמדתו של הגוף, ומידת המשיכה שלו. בהשאלה, משתמשים בחיי היום-יום במסה כמספר המתאר את הכמות של החומר בגוף כלשהו, והיא נמדדת לרוב באמצעות שקילה.
- משקל סגולי: מדד השוואתי של צפיפות יחסית, המבטא את צפיפותו של חומר ביחס לצפיפות של מים, בטמפרטורת חדר ערכים רגיל.
- מצב צבירה: חומר נמצא במצבי צבירה שונים: מוצק, נוזל, גז או פלזמה. מצב הצבירה של החומר תלוי בטמפרטורה שלו ובלחץ.
- מגנטיות: מגנטיות היא תופעה פיזיקלית לפיה עצם המפיק שדה מגנטי, כגון חומר פרומגנטי מפעיל כוח דוחה או מושך על עצם אחר המפיק שדה מגנטי. חומרים שמראים תכונות מגנטיות בולטות הם ברזל, כמה מיני מתכות והמינרל מגנטיט; ברם, כל חומר מושפע בצורה זו או אחרת מנוכחות שדה מגנטי, רק שברוב המקרים ההשפעה קטנה מכדי להבחין בה ללא ציוד מיוחד.
- אופטיות
- מוליכות חום
- מוליכות חשמלית: מידת היכולת של זרם חשמלי לעבור בחומר. חומר מוליך הוא חומר שבו קיימים חלקיקים טעונים עם חופש תנועה (למשל אלקטרונים בנחושת). חומרים מוליכים יכולים להיות מתכת, תמיסה מוליכה (למשל מי ים), וקיימים גם מספר חומרים קרמיים ופולימרים מוליכים.
- נקודת היתוך: הטמפרטורה שבה מצבי הצבירה המוצק והנוזל נמצאים בשיווי משקל תרמודינמי. טמפרטורת ההיתוך היא הטמפרטורה שבה נוזל שמתקרר מתגבש למוצק, ולחלופין מוצק שמתחמם ניתך לנוזל.
- צבע
כימיות – תכונות המתארות את התגובה בין החומר לסביבה.
- עמידות כימית
- עמידות בפני שיתוך
- חסינות כימית בחום
- עמידות על ידי שכבת שיתוך
- מסיסות – מסיסות היא תכונה של חומר. חומר נקרא מסיס אם הוא עובר פירוק לחלקיקים בחומר אחר.
מכניות – תכונות המתארות את תגובת (התנהגות) החומר בעקבות פעולת כוחות חיצוניים עליו.
טכנולוגיות – תכונות המתארות את יכולת החומר לעבור תהליכי עיבוד, כדי להגיע לצורה ולמבנה הדרושים של המוצר המוגמר.

מהירות הקול

מהירות הקול היא המהירות שבה מתקדם הקול בחומר מסוים, והיא תלויה במקדם הקשיחות של החומר ובצפיפות שלו. בברזל, למשל, מהירות הקול היא כמה אלפי מטרים בשנייה, במים מהירות הקול גבוהה פי 4 ממהירותו באוויר. מהירות הקול בחומר במצב צבירה גזי תלויה בהרכב הגז ובטמפרטורה שלו. בגז בהרכב ידוע, מהירות הקול פרופורציונית לשורש הטמפרטורה המוחלטת שלו. מהירות הקול באוויר ב-300° קלווין היא כ־330 מטר לשנייה, או כ-1'026 קילומטר לשעה.

חומר בפילוסופיה

ערך מורחב – חומר (פילוסופיה)

דיונים על חומר, רוח והקשרים ביניהם, הם חלק משאלות המטאפיזיקה בפילוסופיה. הפילוסופים היווניים העלו השערות לגבי החומר והמהות שלו; תאלס, טען שהמים הם יסוד העולם, לאחר מכן, התגבשה תיאורית ארבעת היסודות של אמפדוקלס, ולעומתה הוצבה תורת האטומים של האסכולה האטומיסטית. בתקופה המודרנית, פיתח רנה דקארט את רעיון ההפרדה בין רוח לחומר. פילוסופים רבים אחריו עסקו בהבדלים ובקשרים בין השניים, והעלו תאוריות שונות בנושא. לאורך השנים, התפתחו הגישות המנוגדות באשר לתפיסת החומר; המטריאליזם מבטא את הגישה המייחסת חשיבות לדברים החומריים, והאידיאליזם מעלה על נס את הרעיונות והעולם הרוחני, ולצידם הדואליזם אשר מייחס חשיבות גם לרוח וגם לחומר.