兩顆葡萄放進微波爐為何會爆炸,這是科學家都無法完全解答的難題

將一顆葡萄一刀切為兩半,但不能完全切斷,而要保持表皮的粘連。並排放置並放入微波爐中加熱,十餘秒后,耀眼的火花從葡萄內部噴薄而出,形成等離子體(電漿),甚至產生了爆炸將容器炸碎。

 

為什麼葡萄放進微波爐會形成等離子體,產生爆炸?看起來是生活中經常遇到的情況,卻是一個物理難題,困擾了許多科學家。

等離子體是什麼

在我們的固有認知里,物質只有三種形態,分別是固態、液態、氣態,但其實,物質到目前為止,一共存在六種形態,還有三種分別是等離子態、玻色—愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態。

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舉一個簡單的例子,水我們都知道它是液態,但是如果將水放在零下幾十度的低溫,它就成了固態,如果將水放在在幾百度的高溫,它就會變為水蒸氣。但是如果我們將水持續加熱到幾千度以上,水蒸氣中的原子就會丟掉了自身的電子,發生電離化現象,而這種電離化后的氣體所呈現的形態就是物質的第四態,即等離子態。

 

等離子態常被稱為「超氣態」,它和氣體有很多相似之處,比如:沒有確定形狀和體積,具有流動性。但是它也具有很多獨特的的性質。普通氣體由電中性的分子或原子組成,而等離子體則是帶電粒子和中性粒子的集合體。

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等離子體和普通氣體在性質上更是存在本質的區別:

首先,等離子體是一種導電流體,但是又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內維持電中性;

其次,氣體分子間不存在凈電磁力,而等離子體中的帶電粒子之間存在庫侖力;

再者,作為一個帶電粒子體系,等離子體的運動行為會受到電磁場的影響和支配。

因此,等離子體是完全不同於普通氣體的一種新的物質聚集態。

等離子體的存在還有其特徵的空間和時間限度:

如果電離氣體的空間尺度L不滿足等離子體存在的空間條件L>>D(德拜長度D為等離子體宏觀空間尺度的下限)的空間限制條件,或者電離氣體的存在的時間不滿足>>p(等離子體的振蕩周期p為等離子體存在的時間尺度的下限)時間限制條件,這樣的電離氣體都不能算作等離子體。

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總結來說,等離子態是指物質原子內的電子在高溫下脫離原子核的吸引而形成帶負電的自由電子和帶正電的離子共存的狀態。由於此時物質正、負電荷總數仍然相等,因此叫做等離子態。而等離子態的物質則叫做等離子體。

 

葡萄放進微波爐為什麼會形成等離子體

曾有科學家認為,葡萄之所以會產生等離子體,是因為微波爐產生的能量會將葡萄內部水分中的電解質電位提高,並引發兩瓣葡萄間的能量流動。這種能量的流動就像是穿透介質的高壓電一樣,當電解質獲得足夠的能量時,兩瓣葡萄皮間就會在瞬間形成高溫、高亮的等離子體。

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因為科學家發現把一串葡萄放進了微波爐,高溫加熱3分鐘,葡萄除了被烤熟什麼也沒發生;摘下兩顆葡萄,將它們靠在一起放進了微波爐,加熱不到一分鐘,葡萄的肚子就被烤化了,但也沒有爆炸。

只有將一顆葡萄一刀切為兩半,但不能完全切斷,而要保持表皮的粘連。並排放置並放入微波爐中加熱,才會出現這樣的現象。

但是自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的三名物理學家經過研究發現,只要兩瓣或兩顆完整的葡萄相距不超過3毫米,置於微波爐中加熱都會形成類似的等離子體噴發。

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在兩瓣葡萄接觸的地方會有一個黏連點,葡萄的的黏連點會產生強大的電場,成為微波能量的聚集點(「熱點」),這些集中起來的能量被傳遞給水果里天然存在的鈉離子、鉀離子等鹽類物質,於是產生了等離子體。

研究人員利用熱成像技術記錄了該點產生的極高溫度。以這個黏連點為中心,強大的能量在此處產生了巨大的電磁場,引導葡萄內部電解質遷移,進而在高溫作用下形成等離子體噴射到空中。

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在這個實驗中,水是一個至關重要的因素。在微波爐的頻段里,水的介電常數比較大,即對微波的吸收率很小,可以困出大量微波。兩個水球形成了共振腔,猶如一個陷阱,將各自困住的微波在交界處疊加起來。通常情況下,這是金屬納米結構才能完成的任務。這電離了葡萄中的鉀、鈉元素,形成高溫等離子體。

為了證明等離子體共振腔的形成與葡萄的其他內部成分和脈絡無關,研究人員用純凈水做出了兩個大小與葡萄相似的水凝膠珠,用氯化鈉溶液短暫浸泡後放入微波爐,果然也發生了「爆炸」。

 

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可是科學家還是沒有搞明白,為什麼在噴射等離子體時兩瓣葡萄莫名其妙地發生連續碰撞。這涉及到光波在納米層面的影響規律,看來想要徹底解答這個難題還需要一些時間。

 

其實不僅是葡萄

不僅是葡萄,把切開后聖女果、藍莓,並排放置並放入微波爐中加熱結果全部出現了火花。但是像西紅柿這樣的尺寸卻不會出現這樣的現象。

我們要知道,微波爐爐乃是利用其內部的磁控管,將電能轉變成微波,以每秒2450MHZ的振蕩頻率穿透食物,當微波被食物吸收時,食物內之極性分子(如水、脂肪、蛋白質、糖等)即被吸引以每秒鐘24億5千萬次的速度快速振蕩,使得分子間互相碰撞而產生大量的摩擦熱,微波爐即是利用此種由食物分子本身產生的摩擦熱,裡外同時快速加熱食物的。

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所以微波爐中的食物不像正常情況下由外而內變熱,反而是從內部開始加熱的。雞蛋之所以不能用微波爐加熱,也是因為當雞蛋放進微波爐里加熱的時候,雞蛋內部的蛋黃會率先過熱,這些熱量一下子來不及從雞蛋表面的小孔 跑出去,蛋殼裡的空氣也在膨脹,雞蛋內部的壓力變得很大,所以就會爆炸。

正因為微波爐的加熱原理,葡萄和水凝珠分散的熱點也是出現在交界處和兩顆物體的內部中心,物體太大,能量就無法快速傳遞。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的三名物理學排除了表面導電性和內部結構的因素,總結出了什麼樣的東西才能被微波爐叮爆:球狀、主要是水、不能太大、距離夠近。

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所以,用醋栗、黑莓甚至鵪鶉蛋都達到了同樣的效果,只要是內部含有足夠的水分和電解質,且尺寸不要太大即可,

而這項實驗的意義是非常重大的,在葡萄等離子體的啟發下,可以用水來探索微波頻段的獨特共振幾何結構,未來可能的應用包括被動式全向無線天線、超解析度微波成像等。

如果科學家可以搞明白為什麼在噴射等離子體時兩瓣葡萄莫名其妙地發生連續碰撞,理清光波在納米層面的影響規律,那麼意義就更重大了!

 

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最後提醒一下,各位用微波爐加熱水果一定要注意,除此之外,微波爐忌加熱油炸食品,高溫會使油飛濺;忌用普通塑料容器,容易變形;忌加熱封閉食物,容易發生爆裂,