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葡萄用微波爐加熱會「發爐」產生電漿?這是怎麼發生的?

世界上有兩件極為深奧的事:第一,為什麼一顆葡萄剖一半只留一點皮相連,在微波爐中加熱竟會迸出火花「發爐」?在 Youtube 裡就有一堆這樣的影片。第二,我和他都天天掛在YouTube上,怎麼我搞得論文寫不出來,但他能從中找到靈感還登在頂級科學期刊上?

加拿大特倫特大學(Trent University)天文物理系的 Dr. Aaron Slepkov 年輕時在網路上看到這個葡萄發爐的「小把戲」感到非常好奇,後來擔任教職後還在閒暇之餘與大學部學生一同研究,想不到花了五年時間和幾代的學生竟然真的找出原因,把結果發表在PNAS上,第一作者今年大四。
假如你不知道我在說什麼,看了下面的影片,也可以自己到 YouTube 搜尋 “microwave grape” 就知道了。

微波爐是用 2.45 GHz 的微波加熱,在空氣中波長約 12.2 公分,但微波在葡萄中的折射率約是 10,所以波長約是空氣中的 1/10,正好是葡萄的大小,結果微波就容易在葡萄中產生共振而累積能量,測量顯示因為駐波的關係葡萄的中心特別熱。

三張照片從左到右:(A) 切兩半的葡萄、(B) 兩顆完整葡萄、(C)兩顆泡鹽水的水膠球。三者都會爆出電漿。

但是當兩半的葡萄接觸,電場就集中在接觸點,把葡萄裡豐富的鉀打成發光的電漿,就是影片裡看到的火花(並不是真的火)。圖中的三張照片從左到右:切兩半的葡萄、兩顆完整葡萄、兩顆泡鹽水的水膠球,都會爆出電漿。下面的圖是電漿裡的質譜分析,可以推斷葡萄的電漿是由裡面的鉀離子導致的,與鋁箔在微波爐裡產生的電漿成分截然不同。在泡鹽水的水膠球中,鉀離子的角色則由鈉離子取代。

切兩半的葡萄和兩顆接觸的完整葡萄都可以產生電漿。切兩半帶皮的葡萄成功率較大,因為它不易滾動又能確保連結。

葡萄電漿不但是個很酷的 party trick,而且它告訴我們可以利用電磁波在球體中的共振,把能量集中於比波長更小的尺度裡,比如~應用在光刻上,或可把半導體元件做得遠比紫外線波長更小……。

我知道你的下個問題是什麼:這可不可以在家試?

回答這個問題有點困難,要看你捅出婁子會不會吿我們。只好套 Dr. Slepkov 在接受記者訪問時的話:他的學校在他受訪前建議他不要回答這問題,但他的確在自己的家裡玩過。

參考資料

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