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微波有關(guān)的故事

 未來決定現(xiàn)在 2012-01-07

不太明白原話和回復(fù)是想說什么物理規(guī)律,摸索思路懷疑是說輻射某種波長電磁波的能力,不知道是不是這個問題?

物體輻射電磁波的機(jī)制有很多種,普通人一般不熟悉的,所以經(jīng)常把最廣義的“輻射”理解成那些可以造成人體傷害的特定波長或者特定功率密度的輻射,這個科普應(yīng)該專門做一次,讓公眾理解輻射的定義,搞物理的應(yīng)該能夠講的比較系統(tǒng),可以幫忙帶進(jìn)輻射門。

我只架個橋說一點。

中學(xué)的物理課開始講到一點點“輻射”的知識,主要是波長接近可見光波段的部分,最多的教學(xué)內(nèi)容是熱輻射的機(jī)制(黑體輻射,參見網(wǎng)上的介紹),能夠看成黑體的物體通過溫度的升高來輻射電磁波,具體例子是白熾燈的鎢絲、煤球、屋子的墻壁等等(太陽在嚴(yán)格意義上說不能算,有非黑體輻射的成份)。

這類輻射源可以同時發(fā)射不同波長的電磁波,而且波長基本上算連續(xù)變化的,只是在特定溫度的時候,其中某個波長附近的輻射占主要地位,在功率譜上叫做輻射峰。溫度越高,實際輻射的波長范圍越寬,輻射峰也越向短波長方向移動,移動到可見光波段時人就能夠覺得很亮了,還有顏色的變化。

所以拿塊鐵放在火上燒,能夠感覺到鐵塊越來越烘人(發(fā)出紅外波段的電磁波),再逐漸看得出自己發(fā)出紅光(輻射波長范圍擴(kuò)大到可見光的長波端了),再越來越紅亮(輻射峰逐漸靠近紅光波段),再變橙紅、橙黃、黃白,越來越耀眼(輻射峰向短波段移動,但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒有到達(dá),只是可見光的成份在增加);而且鐵塊烘人越來越厲害(溫度越高,輻射功率越大,紅外輻射還占主要成份,熱效應(yīng)很強)。

大家有經(jīng)驗通過觀察鐵塊發(fā)光的顏色和亮度來判斷溫度,就是因為溫度和輻射功率、各種波長成份的比例有特定的關(guān)系,鐵匠和煉鋼師父見多了就有更多經(jīng)驗,能夠看一眼就準(zhǔn)確知道溫度是多少,現(xiàn)在要注意的是他們經(jīng)常滿頭滿身的大汗,因為鐵塊鋼水不但發(fā)射可見光,而且同時發(fā)射更大功率的紅外線!

大家從這些情況可以想到了——很多物體在發(fā)熱的時候會同時輻射多種波長的電磁波,而且溫度越高,可以輻射的波長就越短。
短波長的電磁波的光子具有更高的能量,搞到一定程度就能夠直接破壞分子的化學(xué)鍵,就有普通人最關(guān)心的那種“輻射”的有害作用了。其實光子能量可以高到破壞原子的結(jié)構(gòu),當(dāng)然那個波長需要非常短,比x射線還短,地球上一般難有。

但是要注意電磁波輻射不僅僅靠光子能量的高低來產(chǎn)生破壞作用,也能夠靠一定時間內(nèi)輸入的總能量來破壞。
大家冬天烤火時可以發(fā)現(xiàn),蠟燭的火焰那么白亮,但是烘不暖,一大盆木炭只是發(fā)出暗紅的光,坐得很遠(yuǎn)也烤得臉部發(fā)燙(所以烤火的人經(jīng)常臉上紅彤彤的),考得近時褲子都被烤焦了。
原因是什么?木炭發(fā)出的可見光比普通白熾燈弱得多,但是發(fā)出的紅外線有很大的功率,用電爐的烤火效果來比較,可以發(fā)現(xiàn)一盆旺旺的木炭等于幾千上萬瓦的電爐,電能變成什么了?變成紅外輻射了,紅外線最大的特點是頻率近似分子原子的很多種共振頻率(不是所有種類,分子共振模式非常多,暫時不扯先),讓物體吸收紅外輻射能量非常高效快速,當(dāng)然熱得快了。

然后必須扯到散熱問題,散熱比吸熱慢時,物體就會不停升溫,溫度高到一定程度,分子的能級改變,化學(xué)鍵扛不住了,發(fā)生化學(xué)分解,或者是不同的分子在高溫條件下開始能夠進(jìn)行一些反應(yīng),各種中間產(chǎn)物也這樣反應(yīng),紅外輻射雖然一般不能靠光子的能量直接破壞很多常見分子,卻通過提高溫度來創(chuàng)造反應(yīng)條件,讓分子互相打架,造成間接的破壞。
所以波長比較長的電磁波輻射在最后也可能產(chǎn)生有害作用,但是注意主要是間接的,需要加熱物體到一定程度,還要戰(zhàn)勝散熱機(jī)制,所以冬天曬太陽如果排除紫外線這類短波輻射的影響,一般是無害的,雖然從輻射譜的特征看,等于人用大概5800攝氏度的電爐來烤火,這個溫度下鋼鐵都已經(jīng)沸騰了(沸點才大約2750度),人卻在懶洋洋地打盹,依靠的就是離太陽很遠(yuǎn),單位面積上紅外線輻射的功率密度不很高,而且有低溫的空氣傳導(dǎo)對流來散熱,身體也在大約37攝氏度條件下輻射紅外線放走能量,熱量不能積累太多,溫度不高。
太陽能熱水器故意把自己的散熱、紅外輻射搞得盡量不好,總想熱能有進(jìn)不出,溫度自然會上升比較高了;汽車玻璃上設(shè)計反光膜,又不愿妨礙可見光的進(jìn)出,就挖空心思主要反射紅外線,不吸收這種熱能,剛得到就盡量丟出去,所以車廂里面溫度比較低。
放大鏡本來是為折射可見光設(shè)計的,但是紅外線因為波長比較接近可見光,鏡子材料正好也可以折射它,在投射面上提高單位面積的輸入功率密度,同樣的面積,沒有明顯改變得散熱條件,熱能自然可以積累更多,溫度升得更高(然后才通過對流和輻射的加強達(dá)到能量出入的平衡點)。

以上是常見的黑體輻射情況,要注意現(xiàn)在說的輻射是專門講電磁波的,但是“輻射”一詞查定義就知道還可以用在其它現(xiàn)象上,泛泛地說某種形式的能量從一個什么東西那里跑出來,傳播到遠(yuǎn)處。人亂喊亂叫也是在輻射,打嗝也是,心臟搏動也是,只是輻射的東西是聲波?,F(xiàn)在聽到“有輻射”還馬上害怕嗎?要看具體情況,有可能而已,如果太響太難聽的話。

說點微波爐的具體問題。

微波是對一種電磁波的技術(shù)應(yīng)用方面的定義,因為有些專業(yè)的人主要研究它,不想理會其它種類的電磁波,就用波長來作為標(biāo)志特指,一般說來比玩電報雷達(dá)的人喜歡的“無線電波”更短些(通訊時反射繞射效果不好,容易被水分子吸收而衰減,所以經(jīng)常被無視),比烤面包烤火的人喜歡的“紅外線”更長些(用加熱的辦法不好大功率發(fā)射,熱效應(yīng)針對的分子共振頻率太挑剔,經(jīng)常純屬路過,所以不是大眾情人)。
要不要怕它?滿世界的輻射之中有一種“宇宙背景輻射”,峰值波長剛好在微波范圍,最可怕的是跑到哪里有有它在發(fā)飊,所以是宇宙流的背景,其它輻射可以想辦法屏蔽就是不能屏蔽它,所以才被發(fā)現(xiàn),小強聽了都要尖叫起來,其實輻射的功率密度小得天崩地裂,不說出來的話至少大部分人根本就不知道。

微波的小故事

二戰(zhàn)的時候,飛機(jī)轟炸已經(jīng)變成常用的打擊手段,而且不愿告訴對方什么時候要打哪里,飛得快飛得遠(yuǎn),丟的炸彈也很多,各國就研究開發(fā)防空警戒的技術(shù)。
以前靠人在地上目視和聽聲音來監(jiān)視敵機(jī),飛機(jī)越飛越高,機(jī)場也越來越在后方,人眼力扛不住了,聲波輻射的繞射和衰減又太厲害,敵機(jī)經(jīng)常是看不見又聽不明白,必須采用新技術(shù)了。
不久之前,無線電通訊技術(shù)已經(jīng)熱門起來,靠電磁波在地面和電離層之間反射、繞射來遠(yuǎn)距離傳播,普通物體對它的吸收衰減比較弱,但是波長太長,不方便準(zhǔn)確定位和測距。人們就在有關(guān)科學(xué)的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究,開發(fā)了更短波長的電磁波發(fā)射接收技術(shù),重點在當(dāng)場搞明白飛機(jī)艦艇的定向測距,英文的描述的專門簡稱音譯過來,就叫“雷達(dá)”了,用非熱輻射的機(jī)制發(fā)射那種被叫做“無線電波”的電磁波,但是和原來用的“無線電波”不同,波長更加短,也容易被很多物體反射,可以傳播很遠(yuǎn),而且直線傳播的能力更強,可以用來直照目標(biāo)又迅速反射回來,定位和測距的精度大大提高。

發(fā)現(xiàn)微波加熱用途的一些八卦陣

雷達(dá)負(fù)責(zé)隨時監(jiān)視敵人,玩雷達(dá)的人要值班,工作條件和家里自然不一樣,亂放東西是經(jīng)常的事,后來有人把夜宵什么的放在雷達(dá)的某些部件附近,過一陣來拿發(fā)現(xiàn)食物變熱了,也有人發(fā)現(xiàn)站在雷達(dá)的某些部件附近就發(fā)熱。這些位置有很強的電磁波輻射,有些值班的人就形成一種習(xí)慣,故意把食物放在這里熱一下再吃。
這個八卦的真實性未作考證,但是理論上是行得通的。雷達(dá)為了探測很遠(yuǎn)的目標(biāo),電磁波發(fā)射功率很高,比家庭微波爐強得多了;微波頻率正好在一般分子的多種模式振動、轉(zhuǎn)動的共振范圍,其中包括水分子的極化轉(zhuǎn)動共振頻率,很多物體正好含有大量水分,讓微波的選擇性有很好的條件——

很多種分子和原子的振動轉(zhuǎn)動頻率很獨特,對微波輻射的響應(yīng)有強烈的選擇性,不夠接近的頻率很少吸收,不象對待紅外線那樣太不擇口味,微波輻射就能夠用特定的頻率打醬油路過,只去搖某些特殊頻率的分子,對物體的穿透力很強,防止能量幾乎都被表層吸收,不但屏蔽了內(nèi)部,而且局部溫度差異太大,里面還是生的而外面就焦糊了。
水常常是普通食物的主成份,分布也較均勻;還有一個重要的作用是它的沸點接近煮熟食物需要的溫度,再高溫就氣化散熱了,正好可以幫助控制加熱的程度。如果食物中有水,用只能加熱水的微波來照射是巧妙的,還不干就繼續(xù)加熱,熱了水就氣化逃逸,干了就沒有熱源了,自動變?yōu)榻禍貭顟B(tài),不容易過度升溫?zé)恕#ó?dāng)然這是假設(shè)微波只對水有致熱作用的情況,實際上微波爐經(jīng)??竞澄?,是因為其它成份也會被加熱,并有散熱不佳升溫過度引起劇烈化學(xué)反應(yīng)等等。)

再后來微波技術(shù)很成熟練,大眾生活也進(jìn)入電器化時代,出現(xiàn)微波爐就和出現(xiàn)電烤箱(紅外輻射加熱法)一樣很自然。

為什么人們對微波爐如此緊張,卻不興起對明火燒烤致病的害怕?

因為微波技術(shù)的起源在專業(yè)化的科學(xué)研究領(lǐng)域,大眾很少能夠了解有關(guān)的自然規(guī)律的探索,不可避免有陷入未知的不安全感,對于仍然習(xí)慣明火燒烤方法加熱的中國人,實際上其中大部分都不了解所謂“輻射”的知識,更不了解其中一種依靠特定波長的電磁波加熱食物的技術(shù)基礎(chǔ),自然就有各種猜測了,而正確認(rèn)識的有效辦法必定只有獲得必要的物理化學(xué)知識,并且有能力僅需獨立的理性思考,只聽結(jié)論不會有大的改觀,因為微波爐看似簡單,實際上是一個多功能(經(jīng)常有紅外輻射加熱法的集成)加熱器,而且被不同的人以不同的具體操作模式處理多種物質(zhì),要得到無害的使用結(jié)果必定是特例,必須正確謹(jǐn)慎操作,而且不能任意構(gòu)思加熱工序和處理所有食物,還要能夠分辨各種有害結(jié)果與什么因素有關(guān)。

至于“單純”的微波泄漏對人體的影響,已經(jīng)明確定義只允許討論屬于“微波”的電磁波的作用,比較方便思考,但是也要分成光子能量高低的影響,和輻射功率密度的影響,按照用木炭燃燒烘烤的基本思路想就行了,如果要非常嚴(yán)肅地討論,就會扯到各種化學(xué)物質(zhì)的分子的分解條件和產(chǎn)物性質(zhì),還有不同分子在各種條件下的反應(yīng)問題,然后再調(diào)查研究每臺微波爐中實際放進(jìn)了什么物質(zhì)、被怎樣輻照,再到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究產(chǎn)物的生物毒性,最后才有明確的結(jié)論,而且是針對特定例子的,歸納出普遍適用的嚴(yán)格看法還要花上更多功夫。但是這樣的研究顯然沒到很深程度,分辨什么后果是輻射直接造成的都很困難,現(xiàn)在可以謹(jǐn)慎推薦的結(jié)論估計是——根據(jù)很多人長期使用微波爐而且食用微波加熱的食物的已知結(jié)果看,按推薦的操作方法使用制造合格的微波爐,對推薦認(rèn)為合適的食物種類進(jìn)行加熱,還沒有發(fā)現(xiàn)明顯可證的微波輻射造成傷害或者食物變得有害的情況。

PS:
微波民用技術(shù)起源于發(fā)達(dá)國家和城市,對安全的關(guān)注和監(jiān)督控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于落后地區(qū),如果明顯暴露出實際危險,早就引發(fā)廚房大掃除了,落后地區(qū)的人如果不是冒著鋪天蓋地的教訓(xùn)和警告自愿找死,就根本沒有機(jī)會用上這種產(chǎn)品.
但是又當(dāng)然,真正買到的產(chǎn)品有個質(zhì)量控制問題,很多不能絕對避免的影響因素要靠足夠的量變來達(dá)到質(zhì)變,落后地區(qū)經(jīng)常在這方面表現(xiàn)出落后,需要正確認(rèn)識不同環(huán)境的具體條件,思考的練習(xí)反而不能完全假設(shè)有理想化的背景條件,更應(yīng)該先去想想花崗巖潔具的放射性超標(biāo)例子,那也是輻射的一種,實在腦筋不會轉(zhuǎn)彎的推薦先研究一下舒服的轉(zhuǎn)椅怎么打傷了那么多人,越落后的環(huán)境,能信任忽略的情況越少,理智的思考就必須越復(fù)雜,因為幫助把關(guān)的人必定少,必須在思考前自問一下:到底見過多少人真正顧及到我呢?清點人數(shù)后再想具體問題就清醒多了。

呃,又寫得太長了,輻射門本來就特別大嘛,多少人就是把輻射當(dāng)飯吃的,怪得著我么,實際上是標(biāo)準(zhǔn)的輻射位面短語,嘿嘿。

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