Warum durchdringen Mikrowellen Fleisch, wenn sichtbares Licht nicht die gleiche Intensität hat?

Warum genau, wenn Mikrowellen weniger Energie pro Photon haben, mit sichtbarem Licht bei gleich hoher Intensität, würden sie dann besser eindringen können?

Die kurze Antwort lautet: Es ist die Frequenz, nicht die Intensität der elektromagnetischen Welle, die den Absorptionsmechanismus (z. B. Molekülrotation, Vibration, Elektronenanregung) bestimmt, der wiederum bestimmt, wie stark die Strahlung absorbiert wird und somit den Grad der Durchdringung. Dann bestimmt die Intensität der Welle für eine gegebene Frequenz, wie viel Energie für die gegebene Penetration absorbiert wird.

Wenn Sie sich in der Frequenz durch Mikrowellen (Molekülrotation) und Infrarot (Molekülschwingung) zu sichtbarem Licht (Elektronenanregung) aufwärts bewegen, werden Sie weniger "transparent" für die Welle, dh Sie absorbieren die Energie stärker. Im unteren UV-Bereich wird das gesamte UV-Licht der Sonne von einer dünnen äußeren Hautschicht absorbiert.

Wenn Sie sich dann in der Frequenz weiter nach oben in den Röntgenbereich bewegen, werden Sie wieder transparent, weil die meisten Absorptionsmechanismen weg sind. Sie absorbieren dann nur einen kleinen Bruchteil der Strahlung, aber diese Absorption beinhaltet die heftigeren Ionisationsereignisse.

Ausführlichere Informationen zu den Mechanismen der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie finden Sie unter http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod3.html

Hoffe das hilft.

E=nhf

Dabei ist E die Energie von monochromatischem Licht, f die Frequenz von monochromatischem Licht, h die Planck-Konstante und n die Anzahl der Photonen. Mikrowellenphotonen haben viel niedrigere Frequenzen als sichtbares Licht. Daher geringere Energie bei gleicher Intensität (dh Anzahl n von Photonen pro Zeiteinheit).

Formel für Eindringtiefenwirkung :

$$\delta_{e}= \frac{\delta_{p}} 2$$

Wo$\delta_{e}$ist die Eindringtiefe und$\delta_{p}$die Hauttiefe .

Die Hauttiefe wird berechnet durch:

$$\delta_{p}=\sqrt{\frac{2 \rho}{\omega \mu}}$$

Wo,

$$\begin{array}{l} \rho=\text { resistivity of the conductor } \\ \omega=\text { angular frequency of current }=2 \pi f, \text { where } f \text { is the frequency. } \\ \mu=\text { permeability of the conductor, } \mu_{r} \mu_{0} \end{array}$$

Wir können aus dem Obigen leicht erkennen, dass eine niedrigere Frequenz (unabhängig von der Lichtintensität) zu einer größeren Eindringtiefe führt$\delta_{e}$.

Daher durchdringen Mikrowellen unabhängig von der Lichtintensität mehr Fleisch als sichtbares Licht. Der Schaden, der dem Fleisch zugefügt wird, hängt jedoch mit der Intensität und Frequenz des Lichts zusammen. Mikrowellen können bei sehr intensiver Mikrowellenstrahlung bis zu 12 cm tief in Ihrem Körper Gewebe schädigen. Schäden durch sichtbares Licht sind nur wenige mm tief möglich und können höchstens zu Hautverbrennungen oder Hautreizungen führen. Dennoch kann nicht sichtbares UV-Licht aufgrund seiner sehr energiereichen hochfrequenten Photonen, obwohl seine Eindringtiefe weniger als einen Millimeter beträgt, Hautkrebs verursachen. Dies hat wahrscheinlich als Ursache den photoelektrischen Effekt, der die menschliche DNA-Replikation stören könnte. Die menschliche Haut gilt allgemein als schlechter elektrischer Leiter.

Die Eindringtiefe in Gewebe oder allgemein Materie hängt letztendlich von Prozessen (Reflexion, Absorption, Streuung, Photochemie) ab, die je nach Zusammensetzung und mikroskopischen Eigenschaften auftreten können oder nicht.

Im Grunde kann man sich nicht nur Energie, sondern auch die entsprechende Frequenz der em-Strahlung vorstellen (E = hf für ein Photon, wobei f die Frequenz der aus einem Ensemble solcher Photonen austretenden Welle und h die Plancksche Konstante ist).

Alle Prozesse, die ich gerade erwähnt habe, erfordern eine Abstimmung (oder einen gewissen Offset für die Streuung) dieser Photonenfrequenz, so wie ein Radio auf einen bestimmten Kanal eingestellt bleibt. Der Schlüssel ist, dass die von elektromagnetischen Wellen getragene Energie in Paketen als Photonen kommt und sie einzeln mit Materie interagieren, die ebenfalls in diskreten Energieniveaus organisiert ist.

Gehen Sie also nicht davon aus, dass ein Photon mit höherer Frequenz (höherer Energie) mehr bewirkt als ein weniger energiereiches. Möglicherweise ist kein Prozess dafür bereit oder das Eintreten eines Ereignisses erfordert einen längeren Transit, was zu einer hohen Eindringtiefe führt.

Aus dem Obigen sollte auch klar sein, dass die Eindringtiefe nicht monoton von der Energie abhängt. Wie Sie sagten, können Mikrowellen biologisches Gewebe durchdringen. Aber viel energiereichere Röntgenstrahlen können es auch. Irgendwie in der Mitte befinden sich UV- und Vis-Strahlung, die durch Reflexion, Absorption (Melaninpigment im Fall unserer Haut) und sogar Streuung ziemlich effektiv blockiert werden. Zum Schluss können Sie Ihren Finger mit einem "weißen" Licht beleuchten und sehen, dass sich rotes Licht am stärksten ausbreitet, ähnlich wie die Rayleigh-Diffusion, die rote Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge ergibt.

(Für die andere Frage "warum MW pro Photon weniger energiereich sind", ist die Antwort in der obigen Beziehung enthalten, plus die Art und Weise, wie wir sie benennen).

Ein fast gleichzeitiger und irgendwie verwandter Faden ist Was ist die Wissenschaft hinter der Rotlichttherapie? Infrarot- und Niedrigspektrum-EM-Wellen klingen für manche schick, aber es ist mehr als Hitze und eine rote Glühbirne

Höhere Photonenenergie bedeutet im Allgemeinen nicht höhere Durchschlagskraft. Hier ist die Opazität der Erdatmosphäre gegenüber der Wellenlänge:

Kurze Wellenlängen entsprechen hoher Photonenenergie, lange Wellenlängen entsprechen niedriger Photonenenergie. Die Atmosphäre ist sowohl bei kurzen als auch bei langen Wellenlängen undurchsichtig, mit "Fenstern" dazwischen.

Unterschiedliche Mechanismen arbeiten bei unterschiedlichen Wellenlängen. Wichtige Mechanismen umfassen die Paarbildung, den Compton-Effekt, den photoelektrischen Effekt, gebunden-gebundene elektronische Übergänge, Molekularschwingung, Molekularrotation und Plasmawellen. Das breiteste Fenster ist im Radio, wo die Frequenz zu hoch ist, als dass das Plasma reagieren könnte, aber die Photonenenergie zu niedrig ist, um die anderen Mechanismen anzuregen.

Flesh ist ein viel komplexerer Materialmix, daher ist seine Opazität entsprechend komplexer.