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科普：微波炉原理揭秘（2）

热度 5已有 9196 次阅读2013-1-31 09:54 |个人分类:科普|系统分类:学术| 微波炉, 科普

在微波炉原理揭秘（1）中，我对常见微波炉原理的说法进行了数量级分析。这种说法是【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】。通过简单的计算，水分子转动的量子能级对应的频率高达$10^{13}$GHz,是微波炉频率的上万倍，达到红外的范围了。因此微波炉的微波（下面简称炉波）根本不可能使水分子跃迁到更高的转动能级。相对于水分子的转动频率来说，炉波变化极慢，相当于静电场。因此，我们可以排除炉波使水分子旋转的说法。

要验证上述的分析，可以做一个实验。在一个封闭的玻璃瓶里放少量的水，放入微波炉中加热，可以想见，水会被变成气体，水分子可以自由运动、自由转动，如果这个水气瓶继续在微波炉中转，温度是否会持续升高？根据我们上面的分析，应该不会。因为水分子的转动能级远高于微波频率，气体状态的水无法吸收微波。换言之，这瓶子水气对与炉波来说是透明的，也就无法继续吸收能量，继续加热了。

在微观角度，炉波就是大量的光子，但这些单个光子的能量非常低，不足以使水分子转动，但我们知道，微波炉确实能加热水，所以炉波的光子也确实被水吸收了。因此，我们必须寻找在微波频率的能级跃迁机制。

那么微波炉加热的机制是什么呢？

十万个为什么里似乎有这样的故事：水虽然是液体，但由于所谓氢键的存在，在小范围内水分子是有规律排列的，有点类似于晶体的结构。这种结构处于其他类似结构的包围之中，有其对应的振动模式---就是所谓声子。可以想象，由于这种结构由许多水分子结合而成，其整体振动频率也就大大低于单个分子的转动频率，而可以低到微波的频率。

水中的氢键结构是微波炉工作的机理。

参见：U. Kaatze, R. Behrends and R. Pottel, Hydrogen network fluctuations and dielectric spectrometry of liquids, J. Non-Cryst. Solids 305 (2002)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022309302010840