電子レンジ有害論（1）＿まずは電子レンジの仕組みから調べてみた

　去年からずーっと続いてたデスマーチお仕事もやっと一段落・・・まではいかないけど、半段落くらいしたトコだし、だーいぶ前にコメント欄でまつさんからリクエストをいただいていた 「電子レンジ有害論」について、ちょこっと書いてみようかねえ・・・と思ったら、コレが意外に難物なのでした(^-^;

　有害論の前に、まずは電子レンジの仕組みのおさらいから。って、調べ始めたはいいけど、よく分かんないままハテナが増殖していくグダグダ感をお楽しみくださいｗ

＜リンク1＞
電気設備の知識と技術

電磁調理器・電子レンジの仕組み

電子レンジは電磁波の電界成分を利用した加熱装置で、飲食物に含有している水分子を摩擦熱で加熱します。水分子は水素と酸素がV字形で結合している分子であり、これに電磁波を当てることで、水分子が向きを変化させます。この向きの変化が、電磁波の周波数が高くなるほど高速化し、分子内に大きな摩擦熱が発生します。

電子レンジに内蔵されている真空管（マグネトロン）により、2,450MHzの高周波が発生させています。2,450MHzの高周波は、1秒間に24億5000万回プラスとマイナスが入れ替わる周波ですから、水分子が同じ回数分振動します。この高周波は金属体を反射し、プラスチックやセラミックスを透過する性質がありますので、反射・透過を繰り返し、食品などの水分子に電磁波がぶつかり、振動発熱をおこなっています。

＜リンク2＞
授業に役立つ科学ネタ

電子レンジの仕組みと危険

　一般によく使われる電波の周波数は３０～３００kHzの長波，３MHzまでの中波，３０MHzまでの短波，テレビなどに使われる３００MHzまでの超短波の他，衛星通信や携帯電話などにも使われる３GHzくらいまでの極超短波があります。更に高い周波数のものとしてレーダーに使われるマイクロ波やミリ波などがあります。電子レンジではこのうち極超短波に属する２４５０MHzの電波が使われています。

　なぜ，２４５０MHzなのでしょうか？答えは水分子をよく振動させる周波数だからです。物質には固有の振動数がありますが，２４５０MHzは水の振動数と同じ，つまりよく共鳴するということなのです。

　この周波数の電波をマグネトロンという装置を使って電子レンジ内部に放出します。電子レンジは水分子を振動させることで熱を持たせるしくみで物をあたためます。ですから，水分を全く含まない物質は電子レンジに入れてもちっともあたたかくなりません。そこがヒーターや電熱線で物をあたためる機械との違いです。

＜リンク3＞
東工大Science Techno

電子レンジの科学

電子レンジに使用される電波は、マグネトロンという発振器で発生され、1秒間に24億5千万回(2450MHz＝2450×106Hz←水分子の固有振動数)プラスとマイナスの電極の変化を繰り返します。これはＦＭラジオの約30倍、ＡＭラジオの約2000倍に相当する周波数です。

電波は金属に当たると反射するので、これにより電子レンジ内では反射して中の物質に有効にあてることができます。逆に電波をガラスや陶器にあてると透過します。電子レンジで加熱したとき茶碗が熱くなるのは内部の食品が温められその熱が茶碗に伝導するためです。電波は、食品のように水分を含む材料にあたると吸収されて発熱します。

水は極性分子なので、プラス・マイナスの極を持っていて、これが電波によって分子が振動し、摩擦熱を発生し、食品の内部から発熱するのです。これを「誘電加熱」と言います。正・負の電荷を帯びていない分子(無極性分子)や、振動しにくい物質(固体)には電磁波の影響が少なく、加熱されにくい。水やアルコールなどの極性分子は、四塩化炭素、ヘキサン、ベンゼンなどの無極性分子に比べ著しい温度上昇が見られます。そのため電子レンジで極性判別ができます。

　この時点ですでにザセツ(^-^;
　「分子内に摩擦熱」ってのがよくわからないのです。分子の運動が、熱なんじゃないの？　分子内で「摩擦」ってナニよ？　えーと、摩擦、摩擦・・・

＜リンク4＞
Wikipedia

「摩擦」

相対的に運動している場合、物体の運動エネルギーは奪われ、周囲に散逸したエネルギーは熱に変わる。これを動摩擦といい、発生した熱を摩擦熱と呼ぶ。車のブレーキがタイヤの動きを止めるのは動摩擦の作用であり、マッチをマッチ箱の黒い部分でこすると火がつくのは摩擦熱の作用である。

　「エネルギーは熱に変わる」ってのもよく分かんないけど、電子レンジで言うなら、水分子の運動が他の原子や分子に伝播して、エネルギーが散逸することを「摩擦（熱）」って呼ぶ、ってことでいいんですかねえ。
　まあ、そういうことにしておこう(^-^;

　あと、「電波が吸収されて発熱」っていうのと「極性分子が振動して摩擦熱を発生」ってのが、同じ事を言ってるのかどうかもちょとわかりづらい。

＜リンク5＞
wikiの「吸光」の項目を見てみると・・・

量子論によると、物質の固有状態（電子の軌道や、分子の振動・回転などの状態）は連続でなく、飛び飛びの値をとる。この状態間のエネルギー差と等しい波長の光が物質に照射されると、そのエネルギーを吸収して状態の遷移が起こり、物質は励起される。（ただし、実際にはスピン禁制など、他の制限がつくため、エネルギー値のみで決まるわけではない。）

実際には、物質は光エネルギーを吸収したままなのではなく、すぐに励起状態から基底状態に戻り、この際に吸収したエネルギーを放出する。しかし、エネルギーの一部は無輻射過程を経るため、吸収した光と完全に同じ波長・強度の光として放出されるわけではない。したがって、光の一部は物質に吸収され続けるように観測される。

通常の場合、紫外・可視・近赤外領域の波長では電子遷移が生じ、赤外領域では分子の振動遷移あるいは回転遷移が生じる。

　「物質の固有状態」に「分子の振動・回転など」が含まれているから、「吸光」の中には分子の振動とかも含まれている、つまり両者は同じ意味、ってことで良さそうかな。

　ってことで、電子レンジの仕組みをまとめると・・・

「電子レンジは2450MHzの電磁波を発生する機械。
　2450NHzの電磁波は水分子に（特異的に）吸収され、水分子は激しく振動する。この振動によって食品（水分を含むもの）が発熱する」

って感じでいいのかな。

・・・と思ったのですが。

＜リンク6＞
　apjさんがお書きになっている解説文を発見。

　１個の水分子を考える。水分子は極性分子であり、酸素側がマイナス、水素側がプラスの電荷を持っている。これを、ちょっと専門的な用語で、水分子は電気双極子（あるいは、電気双極子モーメント）を持つ、という。

　外から電磁波を与えれば、時間的に変動する電場と水分子の電気双極子が直接相互作用するのでは、と考えたくなるかもしれないが、実はそう考えてしまうとわけがわからなくなる。

　振動について考えておく。

　電子レンジの加熱周波数は、日本では2.45 GHzである。水分子の分子内振動は、OH伸縮振動、逆対象伸縮振動、変角振動などがあるが、いずれも赤外線の周波数のところにあり、マイクロ波よりは3～4桁ほど高い。水素結合を介した分子間振動はTHz領域にあるが、それでもマイクロ波より2桁高い周波数のところである。従って、電子レンジで使われている電磁波が水分子の分子内振動や分子間振動に直接エネルギーを与えることはない。

（中略）

　時間的に変化しない電場（静電場）Eを与えると、その電場を打ち消す方向に水分子が何となく動きながらずれる。

（中略）

　時間的に変化する電場をかけたらどうなるか。

　電場の変化が、分子達の動きに比べてうんと遅ければ、Pを作っている分子達の動きは、電場の変化に完全についていくことができる。このとき、分極Pは電場の変化に全く遅れずについていく。遅れない場合は、熱は発生しない。
　電場の変化が、分子達の動きに比べてずっと速ければ、分子達は電場の動きに全くついていくことができない。このとき、Pは電場の変化によって変わらないので、熱は発生しない。
　ほどよい速度で電場が変動する場合（これがマイクロ波に相当する）、電場の変動に少し遅れて分子達がついていくことができる。このとき、外場Eに対してPが遅れることになり、遅れた分だけエネルギーの散逸が起きて、最終的には熱になる。

　外から加えた力に対して変化が遅れるということは、何らかの抵抗力が働いているということでもある。このとき、エネルギーの散逸がおき、最終的には熱になる。分子摩擦というのは、このあたりから出てきた考え方なのだろう。

　こちらの説明の方がより正確なんだろうけれど、うん、私にはやっぱしよく分からないのでした（爆）

　うーむむ、厳密な説明を理解しようとすると、私のキャパを超えてきます。
　えーと・・・
1.電磁波放射
2.極性を持った分子は電場を打ち消すように動こうとする。
3.電場の変化に対する分子の動きの遅れが熱になる。
4.まったく遅れの発生しない分子は発熱しない。
5.遅れっぱなしの分子は発熱しない。
6.2450MHzの電磁波に対し、水分子は適度に遅れるため、発熱が大きい。
7.他の分子は遅れが発生しないか、遅れ過ぎるため、発熱が小さい。

　遅れなく反応すると発熱しない、って言うのは理解しづらいですね。一番発熱しそうにも思っちゃいますけど、重いものを引きずったほうが摩擦熱が大きい、ってのと同じようなことでしょうか。

1.軽いものを引きずると、あまり発熱しない
2.重いものを引きずると、大きく発熱する
3.重すぎると、そもそも引きずれないから発熱しない

　・・・みたいになぞらえて考えると、イメージとしては分かりやすいけど、この例えが近いのかどうかはわかりません。

　今日の引用は、わりかし信用が置けると思えるサイトから引っ張ってきたんですが、いろいろ見比べると、細かいところではやや疑問を感じるところがありますね。電子レンジに限らず、分かりやすさを重視した説明はおしなべて同じ傾向なんでしょうけれど。

　こーいうのを正確に理解しようとした時に必要な基礎知識って、なんだろ。
　「物理化学」とかかな。

　とまあ、悩んでいても仕方が無いので(^-^;　次回から、いまの理解度からはみ出さない範囲で、電子レンジ有害論の中身について見ていこうと思います。