葡萄的微波爐物理

■把對切的葡萄放進微波爐,在微波的加熱下會產生電漿和火花。由於視覺效果奇特,這種葡萄電漿的影片在網路上盛傳。在大部分的影片中,葡萄的果肉被切開,但果皮仍然相連。因此許多人推測電漿產生的原理是:由於果皮富含離子,具有良好導電效果,使得相連的兩片葡萄像天線一樣吸收微波輻射。近期有科學家深入研究這個葡萄電漿,發現果皮的導電性其實並不重要,葡萄本體才是關鍵。

撰文|陳奕廷 

●果皮的角色重要嗎?

在Youtube上搜尋「grape in microwave」即可找到許多葡萄在微波爐中產生電漿的影片。網路上的解釋普遍基於切開的果皮內側潮濕且具導電性,但是從沒有一個完整的理論解釋這個現象。加拿大的物理學家Hamza Khattak和其團隊止不住心中的好奇,決定好好研究這一個系統。首先,他驗證果皮是否真的扮演重要角色。他發現將兩個完整的葡萄放在一起,仍然會產生電漿(圖1B) 。這證明了果皮被切開後沾有的果汁並不是重點。更進一步地,如果把兩個和葡萄大小相仿的多孔隙吸水塑膠放在一起,一樣能產生電漿(圖1C) 。這證明了果皮其實並不是這個現象的關鍵。

這個研究團隊也對葡萄電漿的光譜作分析(圖1D),發現電漿中富含鈉和鉀離子。這些離子都是葡萄中富含的元素,應該是葡萄受微波加熱後噴發出來的。

圖1、(A)對切的葡萄。(B)兩個完整的葡萄。(C)兩顆塑膠球。(D)葡萄電漿產生的光譜。

●葡萄的微波共振

在微波的波段中,葡萄的折射率大約是真空的10倍,所以微波的波長比真空中短10倍。團隊認為葡萄的尺寸剛好和縮小10倍的微波波長差不多,因此產生共振,並激發出電漿。為了驗證這個假設,他們在實驗上和理論上確認葡萄中的電場強度分布。

在圖2A中,兩片葡萄距離非常遠,因此可以假設他們是獨立的。圖2B顯示實驗中葡萄溫度的分布圖,由於葡萄內富含水分,而水會吸收微波放出熱量,因此溫度的分布圖等效上是電場強度的分布圖。從圖2B中可以看出,葡萄就像是微波的共振腔,大部分的電場集中在其中心。這個實驗量測和理論預測吻合(圖2C)。這再次驗證果皮並不重要,葡萄本體和微波產生的共振現象才是關鍵。

當兩片葡萄稍微靠近(圖2D),圖2EF中顯示電場強度向另外一片葡萄靠近。當兩片葡萄接觸時(圖2G),圖2HI中顯示電場強度緊密地集中在接觸點。這個現象可以用化學鍵的方式來理解:當兩個原子距離非常遠的時候,電子集中在個別原子。當兩個原子足夠近的時候,它們之間產生鍵結變成雙原子分子,而電子集中在化學鍵上面。在葡萄的系統中,電場越強越能把氣體和液體游離變成電漿,這就是為什麼在影片中總是看到電漿從兩片葡萄的接觸點產生。

圖2、每一橫列是不同間距。左行是照片,中間行是紅外線溫度照片,右行是理論模擬電場強度。

●葡萄尺寸的影響

從各種Youtube影片可以看出,這個葡萄電漿的成功率非常高。這不禁讓人好奇:共振現象通常對波長的匹配非常嚴苛,為什麼各種不同大小的葡萄都能透過共振產生電漿呢?這個問題的關鍵在於「吸收度」。圖3是共振強度對葡萄尺寸的理論計算,上圖假設葡萄對微波吸收度低,下圖使用接近現實的吸收度。在吸收度低的狀況,只有特定幾種大小的葡萄能和微波產生高度共振(圖3A)。但是現實中,葡萄對微波的吸收度高,其結果是讓微波的共振頻譜變的比較均勻,幾乎所有尺寸的葡萄都能產生共振(圖3B)。這個結果解釋了為什麼不需要在意葡萄尺寸,只要把葡萄放入微波爐,人人都做出葡萄電漿。

圖3、共振強度對葡萄尺寸的作圖。(A)吸收度低的狀況。(B) 吸收度高的狀況。

●葡萄電漿的學術和應用

米氏散射(Mie Scattering)指的是波動受到與波長尺度相仿的物體散射的現象,有別於常見的拉曼散射和瑞立散射。這份研究中,透過簡單的系統中實現米氏散射,具有其學術價值。另外,這個系統研究的電漿現象和奈米光子學中的表面電漿有對應關係,了解微波尺度的原理有助於設計奈米光子裝置。此外,這份研究將電漿聚焦在大約1毫米的大小,大約是微波波長的1/100。如果把這個高度聚焦的原理應用在更小的尺度,對半導體的微縮科技也有貢獻。

 

參考資料:Hamza K. Khattak et al., Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers, PNAS 201818350 (2019)

 

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作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

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