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. 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.
2. חומרים הנדסיים: חומרים סינתטיים, המיוצרים בידי האדם על ידי שילובים שונים של חומרי גלם, כמו:
יסודות.
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:
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
תכונות חומרים.
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-1026 קילומטר לשעה.
חומר בפילוסופיה.
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.
שיקגו
שיקגו (באנגלית: Chicago ) היא העיר השלישית בגודלה (בכמות האוכלוסייה) בארצות הברית, והגדולה ביותר במדינת אילינוי. העיר היא מושב המחוז של מחוז קוק. נכון לשנת 2020, חיים בעיר כ-2.7 מיליון תושבים. המטרופולין של שיקגו (המכונה גם שיקגולנד), מתפרסת על פני שבעה מחוזות של אילינוי כמו גם על פני מחוז אחד של אינדיאנה ומחוז אחד של ויסקונסין. מטרופולין זו נחשבת לשלישית בגודלה בארצות הברית כולה ונכון לשנת 2020, חיים בה מעל ל-9.6 מיליון תושבים. שיקגו ממוקמת על גדת ימת מישיגן ומשמשת מרכז אקדמי, תחבורתי, תעשייתי, תרבותי ומסחרי חשוב.
היסטוריה.
המתיישבים הראשונים באזור.
במהלך המאה ה-17 הגיעו לאזור בני השבט האינדיאני הפוטאוואטמי (Potawatomis). הם קראו לאזור אשר מסביב לשפך נהר שיקגו ולנהר עצמו בשם "שקאוגו" (באיות צרפתי: Checaugou) על שם צמחי השום (מסוג "Allium tricoccum") אשר גדלו באותה העת בשפע בחבל ארץ זה.
אזור שיקגו שימש בהמשך העת החדשה כנקודת מעבר עבור אינדיאנים, חוקרים ומיסיונרים בין קנדה לבין אגן נהר המיסיסיפי. רבים מאנשים אלה היו קנדים צרפתים ולכן רבים משמות המקומות באזור, כולל שמה של שיקגו עצמה, מאויתים כיום על פי כללי הכתיב הצרפתיים. העובדה כי אזור שיקגו חיבר בין נהר שיקגו (אשר זרם במקור לתוך ימת מישיגן) ונהר דפליינס (אשר זורם לתוך נהר המיסיסיפי), משך את תשומת לבם של החוקרים שטיילו באזור משום שסברו כי לאזור פוטנציאל רב כמרכז תחבורה. האישים הבולטים שעברו באזור זה במהלך המאה ה-17 כוללים את:
ההתיישבות הראשונה באזור החלה בשנת 1779, עם הקמת מושבת סחר פרוות על ידי הסוחר הקוויבקי ז'אן-בטיסט פואן דו סאבל (Jean Baptiste Pointe du Sable).
לאחר לחימה ממושכת של צבא ארצות הברית בשבטים האינדיאנים, לבסוף בשנת 1795 בעקבות ההפסד של הכוחות האינדיאנים בקרב העצים הגדועים (Battle of Fallen Timbers) במסגרת אמנת גרינוויל (Treaty of Greenville) אולצו שבטי האינדיאנים להעביר את השליטה על חלקים נרחבים מהאזור בו תוקם העיר שיקגו לשימוש צבא ארצות הברית ובמקום הוקם מוצב צבאי. האינדיאנים קיבלו בתמורה סחורות בעלות של 20,000 דולרים, כגון שמיכות, כלי עבודה ובעלי חיים.