知识堂:烟火的颜色是怎么产生的?

尽管人们认为把钱花在除夕夜的烟花爆竹上有些可惜,当谁都无法否认自己在看到烟花表演时的兴奋。

但是你有没有想过,烟花究竟是什么?原理又是什么?是什么在闪耀光?是怎么发光的?

烟花本质上只不过是一种燃烧——当然,是一种非常光彩夺目、与众不同的燃烧。而说到燃烧,必然少不了燃料和氧气这两个要素。比如我想点燃一块木头,那么必不可少的是空气里的氧气,以及木块中所含的、和氧气发生作用并转化成光和热的碳元素。木块的燃烧的火焰无疑是迷人的,但它还是有别于烟火。在化学家客观的观察下,木块的燃烧其实包括一点微弱的烟火现象,那就是在划火柴的瞬间。

火柴头其实就是一个微型的烟火,因为它是由易燃的固体物质构成,这恰恰是烟火爆竹的基本特征。火柴头的成分是氯酸钾(化学分子式为KCIO
3)和硫磺,以及一种可燃的黏合剂。摩擦可以产生足够的热量,引燃火柴头。在此同时,它自身也能供给氧气——即存在于氯酸钾分子中的氧。热量被聚集在极其有限的空间内,迅速爆炸式地传导开来。也就是说,烟火根本不需要依靠空气中的氧气就可以发生燃烧现象。火柴的燃烧已经基本具备了烟火的所有典型现象:光、热、烟雾、气体,以及 “嘶嘶” 的声响。

固态可燃物和氧气来源的混合是所有花火爆竹必需的两大要素。直到现在,人们在制造烟火时还是要使用最古老的黑色火药。火药的发明要追溯到1000多年前的古代中国,所以中国可以算得上是烟火的发源地。当然,人们也随即认识到了火药的危险性,并颁布了禁令,禁止把火药用于战争。在人类的历史上,这可能是唯一一次因某物破坏力过于强大而仅限于娱乐中使用。直到中世纪末,火药才传入欧洲,但是他们却在无道德的欲望驱使下,将火药用于战争中,制造了武器,甚至后来侵略并占领中国。

火药的成分包括了提供氧气的硝酸钾和作为燃料的碳(粉末形态)以及硫磺,3中物质的比例分别为75%、15%、10%。成分低廉、相对无毒和可以长期存储的特点使火药成为制作烟花爆竹的理想原料,只是在存储时要小心谨慎,不仅要保持干燥,还要避免它们和任何明火接触。

现在,除了木炭和硫磺外,人们在制造烟火时又有了其他选择,如硅、硼以及其他化学性质与碳相似的元素,它们在与氧气发生化学反应时能释放出大量的热。此外,在烟火的制造中还可使用一些金属燃料,主要是铝、镁或钛,它们在高温下会剧烈燃烧,并发出耀眼的光。

大部分烟火都是色彩斑斓(lan)、五颜六色的,但是从物理学上看,这些颜色无非是不同光波所造成的印象而已。对于物理学家来说,我们所说的光其实是波长在400~750纳米的光波集合。波长最长(约750纳米)的射线则会呈现出紫色,剩余的几种颜色位于二者之间,橙色和黄色靠近红色,靠近紫色的则是绿色和蓝色,总而言之,白色光是所有颜色光的集合。

不同的燃料燃烧时颜色也不尽相同,基于这一原理,烟火才能够缤纷多彩。譬如,白炽耀眼的照明火箭通常都是用镁和铝的粉末作为燃料的,因为这些粉末状燃料在燃烧时的状态近乎爆炸,并伴随着刺眼的光芒。如果把燃料中的粉末换成一些大的金属颗粒,这些颗粒在 “爆炸” 后不能马上冷却,那么产生的就不再是刺眼的光,而是白色的火星。金属颗粒越大,火星在夜空中的闪烁时间就越长。金属铁燃烧时会产生微弱的金色光芒;金属钠产生的光是橘黄色的;使用金属锶能调制出不同的红色调;想要得到绿色的光芒,可以借助于金属钡。值得一提的是,蓝色的烟火一般比较少,因为制造蓝色光需要特定的铜化合物,而且还需要很高的温度,精确度要求相当高,因此蓝色的烟火制造起来比较困难,成本也就较高。紫色是锶和铜的混合物燃烧的产物,同样也是比较不常见的烟火。

可见,多彩的烟火最终要依赖于特定的化学成分以及对分子化合物的精密计算。另外,烟火在展现色彩的同时还可能会伴尖锐的 “哨声” ,这种声音源于燃烧时产生的气体。哨声的频率取决于烟火纸筒的长度和产生气体的密度。

*附注:纳米是一种非常小的长度单位,也叫毫微米,表示1毫米的10万分之一。