【科普天地】微波爐到底是怎麼加熱食物的?

             

還記得2015年,與伱攜手走過的“追光逐夢”系列科普微視頻嗎?卡通動畫帶伱領略了光學相關諾貝爾獎的魅力。

今天,“追光逐夢”系列科普微視頻第二季正式與伱見面了。上海光機所博士研究生擔任科普主播,與科學實驗、酷炫動畫一起,帶伱探索身邊的科學。

第一集:

廚房中的光學

  現在,大多數家庭的廚房裡都少不了一台微波爐。它随處可見似乎沒有什麼新奇。但其實,微波爐是“20世紀改變世界的十大發明”之一。

  快速加熱食物當然是微波爐的屬性。但伱會不會好奇,在這轟轟響的幾分鐘裡,既沒有火也沒有發熱物體,食物是如何被加熱的呢?

  今天我們就來解答伱的疑惑,一起聊聊廚房裡看不到的光學——作用于食物上的“微波”。

  微波是一種特殊的“光”,和可見光一樣是一種電磁波。但因為微波的波長超過人眼的感受範圍,所以,它在我們眼前“隐身”了。放在微波爐的食物,一般都含有水分。水分子是極性分子,一頭帶正電,一頭帶負電。水分子通常是雜亂無章地分布着。

  但是當水分子遇上電場,它會調整方向。帶正電那頭與電場方向一緻,帶負電那頭則與電場方向相反。一旦電場轉動起來,會帶着水分子一起振蕩。電場轉動起來,就會形成電磁波,而電磁波攜帶着能量。

  由于微波電場的轉動頻率恰好與水分子本征頻率一緻,水分子的轉動始終會被轉動的電場加速,從而不斷獲得能量,這就是通常所說的“共振”現象。“共振”過程中,水分子振蕩得越來越劇烈,能量越來越高,水溫也就升高了。食物中的很多分子是和水分子相似的“極性分子”,同樣也被微波加熱了。

  那麼問題來了,同樣是電磁波,可見光為什麼不能加熱食物呢?這是因為,可見光的振蕩頻率比水分子本征頻率快得多,達不到“共振”的程度,食物吸收不了多少光的能量。

  我們可以通過一個實驗,來說明“共振”的原理。

  我們用6個鐘擺做共振實驗,首先把鐘擺都放在懸挂的活動闆上,然後随機撥動所有的鐘擺,這時候有的鐘擺向左,有的鐘擺向右。但左邊和右邊的力量總會不對等,從而造成一邊比另一邊的力多一點,多出的一點力就使得下面的活動闆産生微小的擺動。

  這個擺動也會對6個鐘擺施加共同的力。類似于微波對水分子那樣。共振就起作用了,沒有任何幹預,所有鐘擺的步調會變得一緻。

  大家應該明白微波爐的工作原理了,但很多人還有一個問題:為什麼微波爐明令禁止使用金屬容器呢?這是因為,金屬容器不但對加熱食物毫無意義,還有潛在的危險。

  在微波爐中加熱時,微波遇到“金鐘罩”就被反射了。而真正危險的是,在強大的微波作用下,金屬中的自由電子快速移動,産生的電弧會擊壞微波爐内壁,毀壞微波爐中的電子元器件,甚至把微波爐燒毀。所以在微波爐内使用金屬器皿絕對不是一個好主意。

  走出廚房,微波的應用好像讓我們有了“另一雙眼睛”。微波雷達能為各種交通工具提供精确的定位導航,為軍隊偵查敵機和導彈;微波遙感技術使得航拍獲得的“微波地形圖”比可見光和紅外遙感獲得的圖像更真實。

  現在,如果在太空探測,會發現極其微弱的微波輻射,這是整個宇宙的背景“噪聲”,是138億年前宇宙大爆炸留下的“遺産”。未來,人類或許可以利用這筆遺産做出了不起的事呢!

作者單位:中國科學院上海光學精密機械研究所