刚看了那篇关于微波炉原理的科普,大意说:微波炉里的电磁频率为2.45GHz(跟Wi-Fi无线网络频率基本相同),也就是每秒24.5亿次震荡,水分子由于氧原子略带负电、而氢原子略带正电,在电场中会转动,【微波炉上的电磁波每秒锺要转二十几亿圈,水分子们以这样的 速度跟着转,自然也就浑身发热,温度在短时间内就急剧升高了】。 我在网上查了一下,好像这是微波炉加热的原理的一般说法:水分子在随着微波中电场而转动,电能转换为热能。 但对于懂点科学的人来说,想当然而缺乏计算的思维是不靠谱的。稍微思考一下,发现这个水分子转动的说法有问题。 100多年前,人们用光照射金属,发现有时金属里的电子跑出来,这叫着光电效应。但是人们进一步实验发现,光的频率越高,金属中被“照”出来的电子速度也越大,也就是电子能量越高;把光的强度增大,跑出来的电子数量也增加,但电子的最大速度不变。光的频率如果低于某个值,那么无论怎样增加光的强度,也不会有电子跑出来。爱因斯坦对此作出了解释,他推论,光由光子组成,每个光子的能量等于普朗克常数乘以其频率,$E=hf$。光电效应是一个光子打在金属里的电子上,使之挣脱约束、脱颖而出;如果频率太低,则单个光子能量太小,不足以提供电子挣脱约束的能量,因此无法使金属里的电子穿越出来。(两个光子同时打到一个电子的几率极小,可以忽略)。 宇宙大爆炸遗留下来的微博背景辐射的频率约为160GHz,相当于微波炉频率的60多倍,但其对应的温度只有2.7K,换言之微波炉微波如果要换算成温度只有0.05K。这很容易验证,微波炉中photon能量为 $$E = h f = 6.6 \times 10 ^{-34} \times 2.45 \times 10^9 = 1.6 \times 10 ^{-24} (J)$$ (玻尔兹曼常数为 $1.38 \times 10 ^{-23} J K^{-1}$)。水分子的转动惯量$I$约为$ 10^{-47} kg m^2$,按照经典力学,一个水分子每秒转 24.5亿圈的能量只有$10^{-47+18} = 10^ {-29}$焦耳的量级。 而从量子的角度,转动的角动量是量子化的$ L^2= n(n+1) \hbar^2$, 而转动能量为 $L^2/2I$,由此可以得出两个转动能级之间的能量差为$\hbar^2/I$ ~ $10 ^{-21} (J)$ ,这意味着要使水分子在不同转动能级跃迁需要光子频率为 $10^{13} Hz$量级,是微波频率的上万倍,达到了红外频率。因此,微波炉的微波根本不可能使水分子转动。 因此,我认为微波加热的原理应该不是水分子的转动。 那么微波通过什么将能量传给食物呢? |
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