本文轉載自公眾號「把科學帶回家」（ID：steamforkids）
微波爐這麼方便的東西是怎麼發明出來的？
用微波爐加熱食物為什麼會裡面先熱？
微波爐為什麼不能加熱金屬？
兩顆葡萄在微波爐裡為什麼會擦出火花？
怎麼還沒輪到我？
上世紀早期的某天，美國工程師珀西·斯賓塞（Percy Spencer）在研究他的軍用雷達裝置時，發現口袋裡的巧克力莫名其妙地融化了。這激起了斯賓塞的興趣，排除其他因素後，他想到這可能是雷達在「搗蛋」，於是和幾個同事開始拿軍用設備，搞起了烹飪實驗。上世紀用微波加熱食物的漫畫 | 圖源：Wikipedia
最先獻身微波加熱實驗的食物是玉米粒，它們成了世界上第一份微波爆米花。大概是覺得這效果還不夠酷炫，斯賓塞等人又將雞蛋放進一個水壺，然後把發射電磁波的磁控管塞了進去。結果雞蛋給了他們一個「驚喜」，變身「炸彈」，濺了當時正盯著它看的參與者一臉。雞蛋：不能只有我為科學獻身 | 圖源：programmer sought後來斯賓塞專門設計了一個金屬箱，把磁控管安在裡面，讓電磁場更加集中可控，也不會洩露出去，這就是最早的微波爐原型。雷達附近的熱效應並不是斯賓塞最先注意到的，但他是最先對此探究下去，並發現它的應用價值的。早期的微波爐 | 圖源：Wikipedia
然而，和計算機一樣，最早的商用微波爐非常笨重，大約1.8米高、340千克重，價格在那個年代就高達幾千美元。直到1967年，微波爐的尺寸和價格才變得相對親民，開始走進千家萬戶的廚房。和烤箱不同的是，用微波爐加熱的食物，經常外面還是涼的，裡面卻先熱了，微波就算是能穿透食物，也應該裡裡外外一起熱，為什麼會內部優先？雖然名叫「微波」，但在電磁波譜裡它的波長比可見光和紅外線都長（1毫米~1米），短於無線電波。微波爐使用的電磁波波長大約為12釐米，頻率2.45GHz。電磁波譜 | 圖源：維基百科
現代微波爐的基本結構 | 圖源：BusinessInsider
當然，食物內外都會受到微波作用，只不過，不是所有分子都會積極響應，主要還是靠水分子這類能被極化的「積極分子」打配合。水分子整體不帶電，但它的正、負電荷中心不重合，是一種極性分子。水分子結構示意圖
在微波爐周期性變化的電磁場中，水分子就像個小磁鐵開始「跳搖擺舞」，配合著電磁場的步調變換旋轉方向，振動頻率向微波頻率趨近，高達24.5億次/秒。周圍其他分子在水分子的帶動下也開始振動。而物質中的分子運動越劇烈，表現出來的溫度也越高。水分子隨電磁場變化周期振動示意圖 | 圖源：engineerguy
水分子這麼積極，食物含水量高的部分自然熱得更快。很多食物外幹內溼，或者表層水分流失得多，才會內部先熱，再向外傳導。如果成分均一，內外就會差不多熱。由於微波加熱依靠的是分子振動，在冷凍食品中，水分子的振動受到了限制，加熱效率就沒那麼高了。那麼，為什麼要選擇2.45GHz這個特定頻率的微波呢？實際上家用WiFi也在這個頻段，它屬於國際電信聯盟規定的，對工業、科學和醫學領域開放使用的頻段，避開了通信等領域所使用的頻段。另外，微波爐採用這個頻率還綜合考慮到了加熱效率和成本的問題。打開微波爐說明書，上面一定會有不能加熱金屬的警示。然而，令人疑惑的是，微波爐裡本來就有金屬結構，最明顯的就是微波爐門上的金屬網。微波爐的外殼本質上就是個金屬籠子，相當於一個法拉第籠，能夠把電磁波困在裡面。法拉第籠能夠屏蔽電磁場 | 圖源：Wikipedia
微波爐中的鋁箔紙（上）和叉子（下）產生電火花，請勿模仿！| 圖源：programmersought
薄而褶皺的鋁箔紙和尖銳分叉的叉子都屬於高危物品，它們的犄角旮旯處容易堆積電荷，形成電勢差，產生電弧，甚至能將金屬材料和微波爐損毀。金屬在微波爐中冒火花不算意外，不可思議的是，兩顆葡萄在微波爐裡也會「擦出」火花，甚至比金屬更劇烈（危險，請勿模仿）。只用一顆葡萄，或者換成其他漿果都不行。微波爐中的兩顆葡萄激起火花 | 圖源：Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D. (2019)
這一現象在早些年前就受到了熱議，但沒有人給出合理解釋，直到去年，一個科研團隊才解開了這個謎團。讓葡萄擦出火花的是一種叫做米氏共振（Mie resonance）的現象。米氏共振，又稱結構共振（morphology-dependentresonance），指的是某些特定形狀、材質的物體尺寸與電磁波波長相近時，產生的相互作用。前面我們提到微波爐的微波波長大約為12釐米，這裡指的是它在空氣中的波長。在不同介質中，微波的波長和折射率都不同，它在葡萄果肉（主要是水）中的波長只有原來的1/10，即1.2釐米左右，這個長度恰好與一顆葡萄的直徑接近，符合米氏共振的條件，微波被困在葡萄內部不斷反射，形成震蕩的電磁場。微波爐中兩顆葡萄的熱量分布 | 圖源：Khattak, H. K., Bianucci, P. and Slepkov, A. D. (2019)
微波爐：我為你們付出了太多（非該實驗現場）
就算你不在乎犧牲微波爐，劇烈的電火花和爆炸也很可能傷到人，或引起火災。所以無論是金屬，還是葡萄，如果你沒有實驗人員的專業防護措施，都千萬別貿然嘗試。此外，普通塑料包裝和普通保鮮膜也不宜放進微波爐裡加熱，因為這些塑料會被熱化，汙染食物。塑料中，只有明確標識可放進微波爐的耐高溫材料（如PP塑料）才能用微波爐加熱。還有雞蛋、包裝封閉的食品等密封系統也不宜放進微波爐，不信的，請回頭看斯賓塞同事怨念的眼神。只要不作死，微波爐其實還是相當安全高效的廚具和實驗道具。圖源：《命運石之門》
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