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    煙花的哨聲和絢麗的顏色是怎么產生的?
    來源:中科院物理所公眾號 | 作者:原創 Luna 中科院物理所 | 發布時間: 2020-01-16 | 1243 次瀏覽 | 分享到:
           在小編還很小的時候,每次過年都喜歡跑到陽臺上去看焰火?!班亍钡囊宦曋?,遠處的天空就綻開一朵明亮而五彩的煙花,絢爛而美麗。

    各種各樣的煙花 @Wikipedia

           所以,當時年幼無知的小編不由得心生疑問…為什么地面上的一個小箱子,點火引燃之后產生的煙花是那個樣子的呢?煙花究竟是怎么設計,怎么制作,才能呈現那般璀璨的效果呢?

           煙花的品種明目繁多,而一般電視節目中看到的煙花,也就是"嘭"的一聲飛到天上再炸開的那種,是煙花中的特殊的一類,叫做禮花。

           禮花綻放大體上可以分成兩個階段。第一個階段是禮花彈的升空:"嘭"的一聲,一個地面上的什么東西飛上了天空。第二個階段大概是禮花彈的爆裂,嘩啦啦,天空中炸出了一朵煙花。這兩個階段分別發生了什么呢?

           某一種禮花的內部構造大概是這個樣子的 [1]。
    禮花構造@pyrouniverse.com


    把禮花彈打上天空

           當我們點燃導火索(快速引線)之后,引線給小伙伴們撤離的時間,延遲了爆炸。等到引線燃燒到了發射藥的時候,點燃發射藥。發射藥一般就是中國古代煉丹師傅發現的黑火藥,禮花點燃之后“嘭”的一聲就是這個玩意兒爆炸發出的聲音。黑火藥的主要成分是硫磺、木炭、硝酸鉀,爆炸的反應公式比較復雜,一個典型的化學反應方程式大概長這樣(熟悉的一硫二硝三碳):
           這個爆炸反應產生大量熱量和高溫氣體,類似于火箭發射的原理,高溫氣體產生巨大的推力把殼體推上了高空。在飛向高空的過程中,往往會聽到哨子聲般的,呲溜的聲音,這是煙花的一種聲音效應。它來源于一種特殊的熱-聲耦合的燃燒——脈動燃燒。


    脈動燃燒

           脈動燃燒是一種特殊的不穩定燃燒過程,燃燒區的溫度、壓力、氣流速度等參數都會隨時間周期性波動。在工業化應用脈動燃燒的過程中,會有大量的噪音從燃燒器的尾管中輻射出來 [2]。這種技術涉及了非常多的熱-聲耦合的非線性過程,大振幅聲波效應等,非常復雜,所以目前并沒有形成相關的理論 [3]。

           但是沒有相關的理論并不代表我們沒在或者沒辦法利用它。

           從事煙花生產的人已經知道,為了讓煙花產生這種口哨般的聲音,需要使用一類特殊的燃燒物——笛音劑。把氧化劑(高氯酸鉀、氯酸鉀)和笛音劑(主要是苯的衍生物)混合裝進紙筒或塑料筒,點燃后就會發生脈動燃燒,產生清脆的笛音 [4]。
    @參考資料[4]

           這種脈動燃燒引起了空氣的每秒上千次的激烈震蕩,釋放出高頻聲波。所以,裝載著笛音劑和氧化劑的燃燒腔在充當推進器的同時,也同時發出了尖銳的口哨般的biu~的聲音。

           除了升空的煙花,還有一種有名的,有聲音的煙花。小編的家鄉這邊喜歡叫他竄天猴,就是這個玩意兒:

           這種玩意兒使用的推進劑的配料是高氯酸鉀和鄰苯二甲酸氫鉀。而這個鄰苯二甲酸氫鉀,從上面的表格中就可以看出,它也是一種笛音劑(雖然燃燒發出的聲音頻率不穩定,但是依然產生了100dB的聲壓)。

    嘩啦啦地綻開一朵煙花

           發射藥被引爆之后,延時引線被點燃并開始計時。等到殼體飛到高空需要引燃的時候,延時引線也差不多燒干凈了。于是開爆藥被引爆,把星體炸的滿天都是。禮花炸開所呈現的圖形取決于星體在殼體中的位置,如果藥讓禮花炸出特定的形狀,就需要精妙地設計星體在禮花中的排列 [5]。

           這個星體是啥玩意兒咧?它是整個禮花中最關鍵也是最具玄機的部分啦~

           它的主要成分是鎂粉、高氯酸鉀和金屬鹽或金屬粉末 [6]。
    星體成分@回形針PaperClip——《如何制作爆款煙花》

           星體被點燃之后,作為還原劑的鎂粉和作為氧化劑的高氯酸鉀劇烈燃燒,發出大量的光和熱(是并不產生氣體),成為了禮花中閃亮的東西。

           可是煙花的種種顏色是怎么來的呢?這就涉及到一個和物理、化學都有關系的重要現象——焰色反應。

    焰色反應

           金屬單質或它們的化合物在極高溫度的環境下會蒸發成為單獨的粒子,只有單獨的粒子才能呈現焰色反應。(大塊的固體樣品并不會有焰色反應,因為塊狀材料的發光主要和材料中的電子運動有關,大塊固體樣品中存在各種不同運動狀態的電子,所以塊狀材料發出的光的光譜很寬,并不會呈現出相對單一的顏色 [7])。而在火焰中游離的金屬單質或金屬離子在高溫下會被激發到有更高能量的激發態。

           但是處于較高能量下的激發態原子并不穩定,它總會朝著具有最低能量最穩定的基態躍遷。在這個過程中,原子發出的光子能量(hν)恰好等于激發態(能量為E2)和基態(能量為E1)的能量差。

           通過這種方式發出的光子的波長,并不依賴于被蒸發的金屬粒子的溫度,而只依賴于發生躍遷的兩個能級之間的能量差,而這個能量差,只和原子的種類有關系。

           因此不同的金屬離子會有不同的顏色,通過這種方式,我們可以使用各種金屬和金屬化合物產生各種各樣的顏色。

           星體之中的金屬或金屬化合物,被鎂和高氯酸鉀燃燒放出的巨量熱量加熱后,通過焰色反應發出了屬于它們自己的光芒。

    焰色反應的顏色 [8]


    結語

           從幾歲的啥都不知道的傻乎乎的孩童到今天的小編,已經過去了十幾個春節??粗母?,不禁會想起十幾年前在煙火面前蹦蹦跳跳的自己。光陰似箭,日月如梭,雖然越來越難親眼看到禮花的綻放,它們的物理原理和化學原理卻越來越清晰。

           無論如何,現在正值新春佳節,在開開心心地欣賞煙花綻放的美麗絢爛的同時,不要錯過同樣美麗和絢爛的,煙花綻放背后的物理和化學原理~

           Ps:禁止燃放煙花爆竹的地方要嚴格遵守規定哦。

    參考資料
    [1] https://steemit.com/science/@xenvy04/the-chemistry-of-fireworks-happy-fourth-of-july
    [2] 邵東偉, 王俊發, 劉遠軍, 等. 脈動燃燒技術的研究及應用現狀[J]. 現代化農業 , 2009 (7):41-43.
    [3] 吳云飛, 鄧凱, 沈忠良, 等. 脈動燃燒技術進展[J]. 輕工機械, 2013 (1):106-110.
    [4] 蘭??? 笛音劑與化學結構的聯系[J]. 花炮科技與市場, 1994(1):20-21.
    [5] https://zhuanlan.zhihu.com/p/86164747
    [6] 如何制作爆款煙花
    [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test
    [8] https://www.compoundchem.com/2013/12/30/the-chemistry-of-fireworks/
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