微波怎样加热食物?

　　读者在生活中会注意到，浴室热灯——浴霸、发红外线，加热效果很好;微波加热食物效果非常好，且穿透性很强。而可见光、紫外线、中波、长波同样都是电磁波，为什么几乎没有加热能力?在此，有必要再谈电磁波频率与传热问题。

　　【实验】我们以上讨论的是接收电磁波使物质升温，在此我们逆过来，探讨热的物质会辐射出什么样的电磁波。

　　这是一个百年前的著名实验——黑体辐射。

　　实验曲线 在19世纪，随着炼钢工业的发展，科学界就开展了对辐射的精细研究，为了研究辐射，科学家精心设计并制作了一个装置——黑体辐射实验装置。

　　装置的结构如图3-1A所示：在密闭的黑体内钻一小孔，黑体所蕴含的热仅仅只能由此小孔向外辐射。经过多次精细的实验，得到了图3-1B所示的在一定的温度条件下，辐射频率与辐射量之间关系的实验曲线。

　　面对这样的曲线，学者们发挥自己的数学才能，运用数学表达式来拟合这条曲线(即寻求一个数学表达式)。其中著名物理学家普朗克所写出的数学表达式与实验曲线拟合得相当好，可以说是天衣无缝。但是，普朗克先生的公式中，代表能量的数值不能是连续的，而必须是一个最小值的整数倍，这个最小值就是普朗克常量。

　　A B

　　图3-1

　　数学表达式一般是客观实在的反应，普朗克常量表达了微观世界的实在，它揭示了在微观世界，辐射能量是不连续的，辐射能量也不能是无限小，必须是普朗克常量的整数倍，这给在宏观世界习惯于连续无级的常规思维带来冲击，也就把科学带入到了量子时代。

　　物质的电磁波的辐射由何而来?是核外电子发生跃迁时向温度较低的外界辐射的电磁波，同时自身的速率降低一个档次。由于宏观的电磁波辐射是无数单个核外电子集合，而单个核外电子的每一次辐射是自身一次跃迁所发出的，是一份一份的，其能量的变化也是像阶梯一样，是一级一级的，所以是量子化的。

　　反之，当外界温度较高，无数个核外电子就一份一份地吸收外界辐射的电磁波，使自身的运转向高速率跃迁，宏观的表现就是提升自身的温度。普朗克常数反应了这个客观实在。

　　普朗克的量子理论吸引了人们的注意，这条黑体辐射实验曲线正向人们揭示物质构成的信息。在这条曲线旁还有两条虚线，这是人们对曲线的拟合，更是对黑体辐射的猜想。

　　在图3-1B中，横坐标是辐射波的频率，纵坐标为单色辐出度(在某一频率下所辐射的能量)。实验曲线的开始段，随着辐射频率的增大，辐出度随之增大，于是就有人根据这开始段的趋势，按照已有的分子热运动理论(即温度越高，分子的振动频率越快)，拟合了一条左边的虚线。若依照这条曲线，频率越高辐出度越大，当频率高到了紫外线或X射线，辐出度直线上升，如果事实真是如此，地球上的一切生物都要遭受灭顶之灾，在科学史上，人们戏称这条曲线为“紫外灾难”。幸亏事实上实验曲线到了中段变缓、变平，到了极大值辐出度随着频率的增大而下降。

　　“紫外灾难”曲线失败了，败在何处?有人说这是经典理论的失败，不对!这条灾难曲线是由当时的物质理论——分子的热运动理论推导而成。这正说明着分子的热运动理论不符合客观实在，显现了分子的热运动理论的败像，亦说明热辐射不是分子振动所发出的。辐射波来自何处?这正是人们探索核外电子规律、反思物质理论的绝佳时机，可惜失之交臂。

　　面对困惑，学界没有认真去反思以往的物质理论、没有认真去反思分子热运动理论，而是关注普朗克公式中能量的不连续，经典物理中量的连续无级的思想方法受到冲击。但仅仅只是否定经典理论，坐失了探寻物质内部构成的良机。

　　按现行的物质理论，不考虑物质的核外电子的运动，不考虑核外电子的运转速率、线路和跃迁，仅以分子的热运动理论是解释不了这条优美的曲线的。按现行的分子热运动理论，温度越高，分子的振动越加剧。这一理论正是紫外灾难的根源。奇怪的是今天的学界一边在微观领域建立新的学说，一边袭用着这一不符合事实、将会导致灾难的分子热运动理论。

　　内在原因 实验中出现的这条曲线是因为：实验中的黑体，不管它是什么材料制成，它总是由原子、分子构成的，分子、原子的核外电子总是在不停地运转着。当外界温度高于物体(黑体)温度时，物体吸收电磁波，核外电子速率增加，向高速跃迁;当外界温度低于物体温度时，核外电子向低速率跃迁，物体发射电磁波辐射，核外电子的运转速率就是横坐标中的频率，在这一频率下的辐出度就对应得到纵坐标上的一个点，物质的核外电子在不同的频率下有不同的辐出度，把各种频率下的辐出度的点连起来，于是就得到了这条优美的凸峰形实验曲线。

　　凸峰形曲线表明：核外电子在不同的频率(横坐标)条件下的辐射量不同，即在不同的温度环境下辐射量也发生变化。这说明，核外电子的跃迁是在一定范围内规律变化，这种变化不是线性的，核外电子发生跃迁只是在某频率段最积极、最活跃，在低频和高频段跃迁减弱。同时也说明核外电子的运转速率是基本稳定的，只能在某一定范围内变化。

　　这是自然赋予的规律，也是自然事物的“度”的普遍特征，凡事都有个度，就像动物的眼睛只能看到一定频率的光波、耳朵只能听到一定频率的声波。凸峰形曲线是自然事物的普遍规律，例如每天阳光的强弱，动植物的生长周期，人的智力、体力随年龄变化，都是凸峰形曲线。正因为自然事物的“度”，所以也就不会发生那种“紫外灾难”。

　　普朗克的量子理论说明核外电子是在一定的能级运转，其运动的变化是阶级式的，辐射是随核外电子的阶级跃迁而形成一份一份的量子化的，核外电子的运动是被制约在一定的范围之内，是有其内在的规律的。

　　黑体辐射实验曲线同时揭示了物质核外电子的运动活跃范围和规律。红外线的加热效果很好，微波加热食物效果更好，是因为自然界大部分物质的核外电子的运动活跃范围略低于微波、红外波的频率，核外电子经这种频率照射，能够立即接收并增加速率。而可见光、紫外线、中波、长波的频率与物质核外电子的运动活跃范围相差太远，电子无感觉、无动于衷，所以几乎没有加热能力。

　　微波炉 一般物质传热都是由表及里，由近向远逐步传播，而微波炉却能使食物内外同时均衡升温，甚至造成微波照射后的食物内部温度还要高些的景况，微波炉为什么会有如此神奇的功能?

　　微波炉内有炉盘让食物旋转使加热更加均匀，然而微波炉最主要的器件是微波发射管(磁控管)。有了磁控管发出微波，才有上述奇妙的均匀同步的加热效果。

　　微波是波长在毫米波与米波之间的电磁波，频率在3×10^10到3×10^13之间,微波原来主要运用于无线电通讯和定位、导航。20世纪40年代，在微波站的工作人员无意中发现，置于微波辐射下的食品被神秘加热，经过多次观察试验，发现了微波的这一能均匀快捷加热水和食物的功能，于是就申请了专利，制成了微波炉。

　　微波炉对食物的加热效果很好，而且穿透性很强。这说明食物——水和碳氢化合物的表面核外电子运转所伴生的电磁波的频率略低于微波的频率，微波能进入食物的表面(一般物质的表面价和电子速率略高于内部)，在食物内穿透通行，食物的内外核外电子吸收附近的电磁波辐射，加快运转速率，于是就均匀快捷地提升了自身的温度。微波在金属炉壁内被来回反射，从多方位穿透、加热食物，食物就被均匀快捷地加热了。

　　【实验】用微波炉你还可以做一个实验：

　　A.把一个装半杯水的杯子和一个空杯子同时放进微波炉。

　　B.把一个装半杯水的杯子和一个装半杯食用油的杯子同时放进微波炉。

　　微波2分钟，开门察看，哪个杯子的温度高?

　　为什么A、B两组试验中都是有水的杯子温度会高些?这说明：

　　1.微波没有温度，有物质才有温度。

　　2.微波的频率对水的核外电子作用更大，工厂有意把微波炉频率调节到与水的核外电子率相近。(这微波频率是试验出的)

　　3.盛水和食物的器具，瓷器玻璃等能让微波通行，但此频率的微波对瓷器玻璃材料的加热效果不明显，说明这些材料的核外电子速率与此微波不是十分相关。

　　4.微波在金属炉壁内被来回反射，说明金属内存在着稳定、有序、相互接力的电磁波，这样的电磁场构成了金属内密集的内聚力，强大内磁场挡住微波使之不能进入、更不能穿透，而是被来回反射。这说明微波不能用来加热金属，也不宜在微波炉内使用金属器皿。

　　实验揭示了微波与不同物质的核外电子相互作用的自然规律。而用现行的分子热运动理论、核外电子运动无规律理论难以说明微波炉的上述特性的由来，也难以说明微波与食物、陶瓷器具、金属炉壁之间的悬殊关系。

　　以上实验事实证实了核外电子的运动是规律的，这种规律揭示了热的本质，系统解读了各种物质传热的真实路径。现行主流学者所沿袭的那些电子云理论、测不准理论及其矛盾百出的分子振动热学、自由电子导热等荒唐理论使近代物理的研究失去了方向，60多年，使科学走进了沉寂的深渊。探讨核外电子的规律运动是科学进展的必由之路，核外电子规律运动打开了科学探索的新大门，一定会迎来科学繁盛的新时代。