密閉系統無處宣洩的水蒸氣是兇手
【文╱林志鴻】
●介質和振動 形成波動兩要件
理化第三章開始介紹波動，什麼是「波」？若從日常生活中舉例，像水波、繩波或者「人波」——注意時間順序讓學生坐下再起立，教室裡也可以做出很漂亮的波浪舞。
由此引導學生了解，形成波動需要具備兩個條件：介質和振動。在介質中往覆振動而將能量傳遞出去的形式，稱為波動。
所以傳出去的是能量，而不是介質，介質只會在原地做反覆振動，並沒有跟著波動傳出去。就好像玩波浪舞時，人不需要跟著波前進，只需要原地上下起立坐下即可。
再來，按照介質的有無，波可以分為兩大類。
力學波：需要介質的波動。像水波、繩波、聲波等。
電磁波：不需要介質的波動。像光波、紅外線、紫外線、微波等。
說起「光」不需要介質就能傳播出去，這是科學史上論戰很久的問題，其中牽涉到一種稱為「以太（aether）」的神秘介質，隨著實驗技術的進步，更令人懷疑以太性質的衝突性，曾有主張以太無所不在、沒有質量、彈性極佳、沒有摩擦力所以穿透力極高……，如此鬼魅般的物質，最後被科學界揚棄不用。
●雷達管設計專家 製造首部微波爐
關於電磁波的發展，有很多故事可講，不像課本一筆輕輕帶過，翻過了一大篇科學精采的進展。今天來講一個軍火商雷神（Raytheon Company）的故事。
第二次世界大戰期間，潛艇和飛機加入戰場，使得原本的海陸平面戰局開始立體化起來，深海底下神祕難尋的潛艇及機動迅速的飛機都讓當時的英國頭大不已，後來找出兩種防禦的反制武器：聲納和雷達，才能勉強抵抗這兩種致命的武器，聲納利用超聲波的反射，可以找到潛艇的位置，再用深水炸彈逼潛艇現身；而雷達可以在德軍的飛機剛從機場起飛之際，馬上發出空襲警報，讓平民預先躲進防空洞，減少傷亡。
雷達是蘇格蘭物理學家華森‧瓦特（Sir Robert Alexander Watson-Watt）發明的電子系統，而雷神公司從製造供雷達使用的磁控管開始，進而改良了整個雷達系統。1939年，培西‧史賓塞（Percy Spencer）成了世界頂尖的雷達管設計專家之一。當時的雷達系統通過磁控管產生微波無線電信號，而磁控管的產量大約是每天17件。斯賓塞使用衝壓以及焊接的工藝，使磁控管的生產更有效率，令產量大幅增加到每天2,600件。
某天，站在雷達設備前的斯賓塞發現口袋中的巧克力融化了。斯賓塞並不是第一個發現這個現象的人，但他是第一個為此進行研究的人。他決定用食物實驗，其中包括了玉米粒，這些玉米粒成了世界上首批用微波製作的爆米花。在另一個實驗中，磁控管被設置在一個放有雞蛋的茶壺上方。觀察過程中，雞蛋在斯賓塞的同事面前爆開。
隨後斯賓塞製造了世界第一部微波爐。這台微波爐的主體是一個密閉的金屬盒，內部有一個高密度的電磁場產生器。磁控管產生的微波會被金屬盒阻擋，所以可以進行可控且安全的實驗。他把不同的食物放進微波爐，觀察產生的反應並且監控溫度。
斯賓塞在1945年10月8日申請了微波爐的專利。1947年首部商業生產的微波爐高6尺（約2公尺），重量達到750磅（約340公斤），售價大約為2,000到3,000美元。拿來加熱食物真的是用牛刀來殺雞了！1967年首部相對廉價（495美元）及大小適中（約為流理台大小）的微波爐面市。隨著時代的進步，微波爐的體積愈來愈輕巧，在各大超商裡都能見到它的蹤跡，加熱效率非常迅速。
●微波的波長很長 對人體影響不大
微波是低能量的電磁輻射，只會對極性分子的水發生交互作用。
什麼是極性分子呢？
就是正負電荷並沒有完全抵消，而是分開的，水分子呈角狀，當中氫原子位於末端而氧原子則在頂點。由於氧的電負度比氫高，所以分子中有氧原子的一邊電荷會偏負。某些分子，如二氧化碳，原子間負電性亦有差異，但不同之處在於二氧化碳分子形狀成對稱排列，因此對立電荷會被相互抵消。
微波通過水分子時，會使水分子旋轉，使得水分子之間互相摩擦而產生熱量，因此微波爐的原理是直接對水加熱，再由熱水來烹煮食物。加熱的過程中不會看到明火。
因為利用微波來加熱食物，所以產生很多迷思，例如：微波爐會致癌，就像原子反應爐一樣，會產生輻射，傷害人體。其實，微波的波長很長，和X光的波長是在可見光的兩端，無法打斷化學鍵或破壞DNA，不會誘發癌症。X光和伽馬射線這種短波長的輻射波才會傷害人體。相對而言，微波爐裡的微波功率不高，波長也很長，對人體而言影響不大。
●烹調都有化學變化 用微波爐不打折扣
另外，有些人說微波爐改變食物的化學性質，使它變得比較不健康。他們指出微波使水分子旋轉，這股力量會撕裂水分子，破壞食物的分子結構，因此食物再也不是原來的食物了！
其實，所有的烹調加熱行為都會引發許多化學變化，像蛋白質變得比較好消化，碳水化合物的梅納效應……，都是加熱產生的好處，並不會因為使用微波爐而打折扣。不過，使用微波爐的烹調時間較短、溫度較低，需長時間燉煮的食物，比較不適合微波爐。
●水受熱…體積狂飆 微波蛋…會變炸蛋
使用微波爐要特別注意食物密閉的問題，微波會加熱食物中的水，水受熱後變成水蒸氣，體積會迅速膨脹1700倍左右，所以在微波爐產生食物爆炸的現象，基本上是水變成水蒸氣的膨脹現象，而非微波爐溫度過高而產生的爆炸。尤其是煮蛋時，一定要把蛋打破，破壞密閉系統，讓水蒸氣有洞或縫隙可以洩壓，否則就會發生炸蛋的現象。就像當年斯賓塞煮的蛋一樣，在同事面前瞬間炸開。用微波盒裝食物或加熱鮮奶，都要把盒子打開，千萬不可密閉。
最後需要留意的是突沸現象，尤其在加熱飲料時要特別注意，有時候加熱好的飲料沒有沸騰的現象，其實飲料內部已經很燙了，只是在液體表面上，沒有水分子想要當第一個水蒸氣分子，就好像塞滿乘客的公車，沒有人要第一個下車一樣。當使用者從微波爐取出飲料時，會因為搖晃而產生突然間全部沸騰的現象，也像爆炸一樣，因為水變水蒸氣的體積突然膨脹，會令人措手不及，不得不防。
●動腦筆記
●形成波動需要具備兩個條件：介質和振動。在介質中往覆振動而將能量傳遞出去的形式，稱為波動。
●按照介質的有無，波可以分為兩大類：需要介質的力學波、不需要戒質的電磁波。
●微波通過水分子時，會使水分子旋轉，使得水分子之間互相摩擦而產生熱量。
●微波的波長很長，無法打斷化學鍵或破壞DNA，不會誘發癌症，對人體影響不大。
●微波爐產生食物爆炸的現象，基本上是水變成水蒸氣的膨脹現象，而非溫度過高而產生的爆炸。
●作者為高雄小港國中自然科老師，喜歡在課堂上穿插各種小故事，啟發孩子對科學的興趣。
【2022-10-10/聯合報/R07版/好讀周報動腦力】
