空气的介电常数（空气相对介电常数）

如今，微波炉已经成了大多数家庭必备的厨房电器。它使用方便、快速，无论是你想加热饭菜，或是临时需要一杯温水，只要放进微波炉里“叮”一下，很快就能达成心愿。更重要的是，它不需要很麻烦地清洗，简直是懒人的福音啊！

微波炉是如此简单易用，以至于聪明的你不需要看说明书就知道怎么去操作它。但如果要问你“微波炉是如何加热食物的？它能做什么不能做什么？为什么有些东西不能放进微波炉里加热？”许多人就说不出个所以然了。

今天我们就来聊聊微波炉里的科学。

微波炉上的猫，与薛定谔无关

微波炉是怎么发明出来的？

爱迪生团队希望制造一个能够用电力照明的灯，使人们摆脱对油灯的依赖。经过许多次挫折和反复试错，他们终于发明了可靠的电灯。许多产品在被创造出来之前，发明者都已经有一个明确的目标，并向着目标反复探索和实验。但微波炉不是这样，它完全是在制造雷达的过程中被无意发现，然后发明出来的。

没想到吧，雷达是微波炉的祖先！

著名的雷神公司在第二次世界大战时就生产雷达。这种大型无线电天线可以向外发射电波，同时接收反射回来的电波波束，通过计算反射波的时间间隔和角度来判断敌方飞机的距离和方位。雷达在当时是先进的武器，它上面的关键部件“磁控管”用来产生电磁波。有一天，雷神公司的工程师珀西.斯宾塞在测试一个新的磁控管时，无意中发现自己口袋里的糖块融化了，他怀疑是磁控管发射的电磁波造成的，于是他拿了一个生鸡蛋来做实验。当斯宾塞将磁控管的电波波束对准鸡蛋时，鸡蛋很快因内部受热而爆炸。随后斯宾塞又拿磁控管加热玉米粒，他很快得到了一堆爆米花。

这是雷神公司发出雷达波的磁控管，微波炉的跟它原理几乎一样

雷神公司得知斯宾塞的发现后，迅速注册了“利用雷达技术进行烹饪加工”的发明专利，并且很快就用磁控管造出了第一台烹饪机器，他们给这个新机器起名叫“Radarange”，意思是“小范围雷达”（这是纯理科生起的名字）。后来，营销专家们觉得“微波”这个词更加时髦（就像今天各种“量子”和“纳米”满天飞一样），他们给新机器起名“microwave ovens”,后来干脆改叫“microwaves”，这就是微波炉的由来。

最早的微波炉广告，美丽主妇必不可少

微波为什么能加热？

微波通常是指波长在0.1mm~1m之间的电磁波，它的频率范围300MHz~3000GHz之间，在这个频段里光量子的能量约为1.99×10?2? J~1.99×10?21 J。微波波段光子的能量不高，它不足以引起电离反应，但可以像红外线一样加热物体。

微波波谱

微波的物理特性通常表现在穿透、反射和吸收（部分吸收）三个方面：对于一些非极性物体如玻璃、陶瓷等，微波会直接穿过，很少与其中的原子发生相互作用；对于拥有大量自由电子的金属物体，微波像可见光一样很容易被反射；而水就很容易吸收微波而发热。

一个物体能否容易被微波加热，与它自身的介电常数相关。介电常数越大的物体越容易被加热，反之，介电常数小于2.8则被称为非极性物质，它不容易受微波的影响。空气的介电常数为1.000585，它几乎不受微波的影响；玻璃的相对介电常数大约为5~10；而水则达到81.5，因为水分子显现强极性。

水分子因其极性结合成氢键

水的强极性是由水分子的结构决定的。我们知道水分子由一个氧原子与两个氢原子构成，这两个氢原子与氧原子并不在同一条轴线上，两个H-O原子键之间有一个104°28′的夹角，氢带正电荷，氧携带负电荷，因此水分子对外具有极性。

水分子的极性

当微波穿过水时，强极性的水分子会随着微波快速变化的高频电磁场不断变化自己的方向，从而将微波场的场能量转化为水分子的热能，导致水的温度迅速升高。食物中含水量越高，它就越容易被微波加热。

微波炉不能加热金属，但它可以在金属尖锐表面形成驻波，从而导致强放电现象，这有可能引起火灾。所以你最好不要把金属物体放进微波炉里，无论是碗碟还是刀叉。

微波能在金属餐叉的尖端形成驻波

微波炉为什么不能杀死蚂蚁？

有好事者做过实验，他们抓了几只蚂蚁放进微波炉里打算对其施以酷刑，然而蚂蚁在里边爬来爬去，完全不把致命的微波当回事，同样的情形也发生在小蟑螂身上。这到底是为什么呢？难道是蚂蚁对微波“免疫”？

这需要从微波炉的结构说起。

我们知道微波炉里都有一个磁控管，它可以产生微波波束。磁控管产生的微波通过一条金属管传递到微波炉箱体的上方，那里有一个风扇一样的部件。这个“风扇”是用来反射微波的，它利用微波碰到金属会被反射的特点将微波波束扫射到箱体内部四壁，使其在炉子里不断地来回反射，直到照射到食物上被吸收为止。

微波在金属箱体内多次反射，最终聚在食物上

由于微波具有很强的方向性，所以在微波炉里总会有照射不到的地方，蚂蚁就是在炉子里不断地寻找微波的空隙。当然了，蚂蚁的身体很小，相比之下它的身体表面积非常大，可以更快地散热，再加上它体内含的水分少，这也是它容易生存下来的原因之一。如果你拿个胶带把它固定在微波炉中间，它就死定了。

蚂蚁能在微波炉里闪转腾挪保住性命，说明微波炉是有死角的

微波炉可以杀菌但不能消毒

如果你用微波炉加热一条湿毛巾来对其消毒，这是可以做到的，因为大多数常见的细菌无法耐受高温，同时微波可以破坏细菌体内的蛋白质和氨基酸。

但研究结果表明，微波对细菌产生的毒素没什么作用，微波不能拿来消毒。

约旦大学的科学团队将受到黄曲霉毒素污染的鸡饲料放进微波炉里，以2450MHz和1.45kW的高频输出，100％功率加热2、4、8和10分钟，检测的结果发现，微波只清除了22%~32%的黄曲酶，效果十分不理想。究其原因，一方面是杀死病毒需要200℃甚至更高的温度，并且不留死角，这两点微波炉都做不到。

微波炉清除黄曲霉毒素的效果不理想，它不适合用来消毒

微波会致癌？

总体来说，微波炉是很安全的。

我们前面介绍了，微波是非电离辐射的电磁波，它的能量比较低，只会对物质有加热作用，不会电离原子外层的电子。微波主要用于通信，因为它具有信息性和指向性。目前世界多个国家也研制了一些非致命的微波武器，它主要也是利用微波加热的原理，用来驱赶敌方。

新型大功率微波武器，可用来驱赶人群，还可以“击落”无人机

微波炉里的微波从理论上不会被泄漏出来。这是因为微波炉的电磁波频率被限定在2450MHz的标准，由波长λ=c/f，我们可以计算出微波炉中微波的波长为122毫米，微波炉箱体四周的金属板的小孔最大也只有2毫米左右，因此微波很难泄漏出来，人站在附近是安全的。

微波加热的食物会产生致癌物质吗？

我们前面介绍了，微波主要是通过振动食物中的水分子来加热食物，因此它不会破坏食物中的有益成分。

肉类如果过度加热，它有可能生成过量的杂环芳香胺（HCAs）和多环芳烃（PAHs），这些物质被认为有更多的致癌风险，如果你在烧烤时把肉烤焦了，我建议你最好不要再吃它，因为烧焦的肉里边有更多的HCAs和PAHs。但微波炉加热的食物很难达到这么高的温度，因此总体上用微波炉加热食物是安全的。你大可不必担心。

微波食物没有烧烤美味，但它不容易致癌