两颗葡萄放进微波炉为何会爆炸,这是科学家都无法完全解答的难题

2020-04-10

将一颗葡萄一刀切为两半,但不能完全切断,而要保持表皮的粘连。并排放置并放入微波炉中加热,十余秒后,耀眼的火花从葡萄内部喷薄而出,形成等离子体(电浆),甚至产生了爆炸将容器炸碎。

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为什么葡萄放进微波炉会形成等离子体,产生爆炸?看起来是生活中经常遇到的情况,却是一个物理难题,困扰了许多科学家。

等离子体是什么

在我们的固有认知里,物质只有三种形态,分别是固态、液态、气态,但其实,物质到目前为止,一共存在六种形态,还有三种分别是等离子态、玻色—爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。

举一个简单的例子,水我们都知道它是液态,但是如果将水放在零下几十度的低温,它就成了固态,如果将水放在在几百度的高温,它就会变为水蒸气。但是如果我们将水持续加热到几千度以上,水蒸气中的原子就会丢掉了自身的电子,发生电离化现象,而这种电离化后的气体所呈现的形态就是物质的第四态,即等离子态。

等离子态常被称为“超气态”,它和气体有很多相似之处,比如:没有确定形状和体积,具有流动性。但是它也具有很多独特的的性质。普通气体由电中性的分子或原子组成,而等离子体则是带电粒子和中性粒子的集合体。

等离子体和普通气体在性质上更是存在本质的区别:


首先,等离子体是一种导电流体,但是又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性;

其次,气体分子间不存在净电磁力,而等离子体中的带电粒子之间存在库仑力;

再者,作为一个带电粒子体系,等离子体的运动行为会受到电磁场的影响和支配。

因此,等离子体是完全不同于普通气体的一种新的物质聚集态。


等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度:

如果电离气体的空间尺度L不满足等离子体存在的空间条件L>>D(德拜长度D为等离子体宏观空间尺度的下限)的空间限制条件,或者电离气体的存在的时间不满足>>p(等离子体的振荡周期p为等离子体存在的时间尺度的下限)时间限制条件,这样的电离气体都不能算作等离子体。

总结来说,等离子态是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态。由于此时物质正、负电荷总数仍然相等,因此叫做等离子态。而等离子态的物质则叫做等离子体。

葡萄放进微波炉为什么会形成等离子体

曾有科学家认为,葡萄之所以会产生等离子体,是因为微波炉产生的能量会将葡萄内部水分中的电解质电位提高,并引发两瓣葡萄间的能量流动。这种能量的流动就像是穿透介质的高压电一样,当电解质获得足够的能量时,两瓣葡萄皮间就会在瞬间形成高温、高亮的等离子体。

因为科学家发现把一串葡萄放进了微波炉,高温加热3分钟,葡萄除了被烤熟什么也没发生;摘下两颗葡萄,将它们靠在一起放进了微波炉,加热不到一分钟,葡萄的肚子就被烤化了,但也没有爆炸。

只有将一颗葡萄一刀切为两半,但不能完全切断,而要保持表皮的粘连。并排放置并放入微波炉中加热,才会出现这样的现象。

但是自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的三名物理学家经过研究发现,只要两瓣或两颗完整的葡萄相距不超过3毫米,置于微波炉中加热都会形成类似的等离子体喷发。

在两瓣葡萄接触的地方会有一个黏连点,葡萄的的黏连点会产生强大的电场,成为微波能量的聚集点(“热点”),这些集中起来的能量被传递给水果里天然存在的钠离子、钾离子等盐类物质,于是产生了等离子体。

研究人员利用热成像技术记录了该点产生的极高温度。以这个黏连点为中心,强大的能量在此处产生了巨大的电磁场,引导葡萄内部电解质迁移,进而在高温作用下形成等离子体喷射到空中。

在这个实验中,水是一个至关重要的因素。在微波炉的频段里,水的介电常数比较大,即对微波的吸收率很小,可以困出大量微波。两个水球形成了共振腔,犹如一个陷阱,将各自困住的微波在交界处叠加起来。通常情况下,这是金属纳米结构才能完成的任务。这电离了葡萄中的钾、钠元素,形成高温等离子体。

为了证明等离子体共振腔的形成与葡萄的其他内部成分和脉络无关,研究人员用纯净水做出了两个大小与葡萄相似的水凝胶珠,用氯化钠溶液短暂浸泡后放入微波炉,果然也发生了“爆炸”。

可是科学家还是没有搞明白,为什么在喷射等离子体时两瓣葡萄莫名其妙地发生连续碰撞。这涉及到光波在纳米层面的影响规律,看来想要彻底解答这个难题还需要一些时间。

其实不仅是葡萄

不仅是葡萄,把切开后圣女果、蓝莓,并排放置并放入微波炉中加热结果全部出现了火花。但是像西红柿这样的尺寸却不会出现这样的现象。

我们要知道,微波炉炉乃是利用其内部的磁控管,将电能转变成微波,以每秒2450MHZ的振荡频率穿透食物,当微波被食物吸收时,食物内之极性分子(如水、脂肪、蛋白质、糖等)即被吸引以每秒钟24亿5千万次的速度快速振荡,使得分子间互相碰撞而产生大量的摩擦热,微波炉即是利用此种由食物分子本身产生的摩擦热,里外同时快速加热食物的。

所以微波炉中的食物不像正常情况下由外而内变热,反而是从内部开始加热的。鸡蛋之所以不能用微波炉加热,也是因为当鸡蛋放进微波炉里加热的时候,鸡蛋内部的蛋黄会率先过热,这些热量一下子来不及从鸡蛋表面的小孔 跑出去,蛋壳里的空气也在膨胀,鸡蛋内部的压力变得很大,所以就会爆炸。

正因为微波炉的加热原理,葡萄和水凝珠分散的热点也是出现在交界处和两颗物体的内部中心,物体太大,能量就无法快速传递。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的三名物理学排除了表面导电性和内部结构的因素,总结出了什么样的东西才能被微波炉叮爆:球状、主要是水、不能太大、距离够近。

所以,用醋栗、黑莓甚至鹌鹑蛋都达到了同样的效果,只要是内部含有足够的水分和电解质,且尺寸不要太大即可,

而这项实验的意义是非常重大的,在葡萄等离子体的启发下,可以用水来探索微波频段的独特共振几何结构,未来可能的应用包括被动式全向无线天线、超分辨率微波成像等。

如果科学家可以搞明白为什么在喷射等离子体时两瓣葡萄莫名其妙地发生连续碰撞,理清光波在纳米层面的影响规律,那么意义就更重大了!

最后提醒一下,各位用微波炉加热水果一定要注意,除此之外,微波炉忌加热油炸食品,高温会使油飞溅;忌用普通塑料容器,容易变形;忌加热封闭食物,容易发生爆裂,



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