超音波的新興研究

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1、2009全國高中生科普論文寫作競賽成果報告書參賽編號：A-0039作品名稱：淺談微波與超音波學生姓名：蔡佰霖、蘇達華、江旻瑩教師姓名：林永專、陳威宏關鍵字：超音波、微波、空穴效應壹•前言近幾年來，超音波及微波之應用的各項硏究才開始活躍起來，由於超音波頻率高、波長短,故具有多項特性，包括傳播方向固定、能量大、穿透能力強及空穴效應等。對於許多化學家而言，利用各種方法來增加反應物的反應速率，方法有加熱、通電、或是加入各式各樣的催化劑。有時則是希望可以把反應物不需要的部份透過打斷鍵結的方式以利實驗進行。而超音波對於反應系統產生的應力則可將化合物中的特定鍵

2、結拉斷。微波方法應用於化學反應之歷史雖不算長，但由於其相較於傳統加熱方式有著相當多的優點,如安全乂方便、加熱速度快、可均勻加熱、節能效率高、自動化控制等,故漸漸地也慢慢有取代傳統熱力加熱之趨勢。由於微波與超音波具有上述多項優點,我們就想微波與超音波是否可以結合起來促進化學反應的進行呢？貳•正文《一》、微波部份-、什麼是微波？(註1)微波是電磁波的一種。什麼是電磁波？從科學的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁波。電與磁可說是一體兩面，變動的電會產生磁,變動的磁則會產生電。電磁的變動就如同微風輕拂水面產生水波一般，因此

3、被稱爲電磁波。微波(microwave)是一種電磁波，位於光譜的遠紅外光區'其頻率介於300MHz至300GHz的範圍之內。VISIBLEINFRAREDLIGHTUVMICROWAVEX-RAYRADIOENERGY5,000,000,0000.0000002480J24Z484960.50.0005nanometers2.480.000electronvoltsGAMMA二、微波化學的研究1%起源早期微波僅被當作通訊專用的波段，在第二次世界大戰屮，由於雷達的發明與使用,使得微波技術的發展突飛猛進,在一個偶然的機會屮,發現它可以用於水分子的加熱

4、，因而引發了微波加熱的硏究。於是微波加熱的技術被推展在其他領域屮：工業上，例如煤的去硫處理、冷凍食品的解凍以及西式麵食的乾燥;在分析化學上，例如肉類食品溼度及脂肋的測定以及分析樣品的萃取；至於家用微波爐的問世'更改變了人們對傳統加熱的依賴。2、微波加熱原理風扇microwavesFan竜磁管Magnetron根據E=hv(h=6.626xl0-34Js，稱爲蒲朗克常數，v爲電磁波頻率，單位爲s")，微波本身所具有的能量比X光以及UV光小，但是微波的能量可以增加極性分子的轉動能，進而影響分子的內能。當微波作用於分子時，會促進分子的轉動運動，此時分

5、子的內能增加，我們稱分子處於激發態(excitedstate)，當分子由激發態回復到基態(groundstate)時，便將能量以熱或其他的形式釋出；有些物質可與特定的微波產生作用，即容易吸收微波，且將之轉換成熱能，我們稱此類物質爲非穿透性^(non-transparent)，如水、甲醇；與微波作用小的物質，可以讓微波通過而不吸收其能量'我們稱爲穿透性^(transparent)如玻璃，塑膠。Beamof3、微波爐的基本構造微波爐的發明者是美阈的斯本塞。1945年，他觀察到微波能使周圍的物體發熱。因而提出微波能使物體發熱的論點。雷聲公司受斯本塞實驗

6、的硏發，在1947年，雷聲公司推出了第一台家用微波爐。現代一般家用微波爐的主要構造分成磁控管(magnetron)、波導(waveguide)、微波腔(microwavecavity)、方向攪拌器(modestirrer)、循環攪拌器(circulator)以及轉盤(turntable)等六個部份。磁控管將電能轉換成電磁能，經由波導傳送進入微波腔，並在方向攪拌器的作用下均勻分布至各個方向，循環攪拌器將微波腔內未被吸收而反射回波導內的微波，與將進入微波腔的微波分開，並將這些反射的微波轉換成熱能導出微波爐外，轉盤可做360度轉動，使物質在微波爐內受熱

7、均勻。家用微波爐所使用的微波頻率爲2450MHz，輸出功率通常介於500〜1500W之間'待加熱的食品放在轉盤上。4、微波之觸媒催化反應(註7)微波化學催化促進的變因與觸媒於兩相反應扮演的角色微波方法之所以會逐漸取代傳統熱力加熱法主要的原因有下(1)加熱速度快：微波加熱則內部加熱方式，電磁能直接作用于介質分子轉換成熱，且透射使介質內外同時受熱，不需要熱傳導，故可在短時間內達到均勻加熱。(2)均勻加熱：微波加熱時不論形狀如何，微波都能均勻滲透，產生熱量，因此均勻性大大改善。節能高效：微波加熱時，被加熱物料一般都是放在用金屬製成的加熱室內，加熱室對電

8、磁波來說是個封閉的腔體，電磁波不能外泄，只能被加熱物體吸收，加熱室內的空氣與相應的容器都不會被加熱，所以熱效率高。同時工作場所的環境溫度