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千万、千万不要把两颗葡萄放在微波炉里

图片:coniferconifer / CC BY

两颗葡萄在微波炉里会产生等离子,为什么?

四方,知之为知之

ag游戏平台 www.jtnhbvpj.cn 简单来说,这是一种在微波频率下的结构共振(morphology-dependent resonances(MDRs)),也是米氏共振的一种现象,即电磁波波长和微粒的半径接近时的一种现象。葡萄的尺寸和微波的波长比较接近,微波和葡萄就会发生相互作用(near-field effects of resonant interactions),当两个葡萄靠的足够近时,在近场条件下,电磁波会集中分布在两个葡萄中间,当电磁场的能量密度足够高时,就能够发生电离,产生等离子体。

下图是葡萄和水球的光谱,可以看到钠和钾的特征线,表明发光的元素主要是葡萄中的钠和钾或者水球中的钠(水中含有 NaCl)。

这是热成像和电磁场能量密度分布,后者是通过 FEM 仿真得到的??梢钥吹?,如果两个葡萄距离比较远,微波在葡萄中间形成驻波,葡萄中间的电磁场密度最高,温度也最高,如果两者距离很近,电磁场则集中分布在两个葡萄中间。

这是在两个葡萄中间放上 15 层的纸的结果,可以看到中间的灼烧痕迹明显,两侧依次递减,从而说明这一现象并不是葡萄发热导致,而是电磁场中中间区域电离所致,实际上,葡萄被加热达到的温度距离电离所需的温度(万摄氏度及以上)还差的很远。

该工作的应用前景:

该实验中,热斑区(hot spot)的尺寸可以达到电磁波波长的 1/100,这为纳米光子技术发展提供了新的实验思路,比如可以设计特殊的天线结构,从而实现超高空间分辨能力的微波激发和成像。

Thus, this work is likely to open experimental opportunities for modeling nanophotonic resonance phenomena with scaled-up objects illuminated at microwave frequencies.

补充:

关于米氏散射,维基定义如下:

当微粒半径的大小接近于或者大于入射光线的波长λ的时候,大部分的入射光线会沿着前进的方向进行散射,这种现象被称为米氏散射。
更多知识可以参考:Mie scattering - Wikipedia

YouTube 上有一个科普视频可以参考:

How Microwaving Grapes Makes Plasma

题主的视频出处链接如下,此外还有一些水凝胶球、高速摄像机和热成像的结果:

Supporting Information

如果想阅读原论文,点击这个链接,说明一下,上面的几张图都是该文章的图:

Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers

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