烟花的哨声和绚丽的颜色是怎么产生的？
中科院物理所2020-01-26 19:40
在小编还很小的时候，每次过年都喜欢跑到阳台上去看焰火。“嘭”的一声之后，远处的天空就绽开一朵明亮而五彩的烟花，绚烂而美丽。
各种各样的烟花 @Wikipedia
所以，当时年幼无知的小编不由得心生疑问…为什么地面上的一个小箱子，点火引燃之后产生的烟花是那个样子的呢？烟花究竟是怎么设计，怎么制作，才能呈现那般璀璨的效果呢？
图片来源于网络
烟花的品种明目繁多，而一般电视节目中看到的烟花，也就是"嘭"的一声飞到天上再炸开的那种，是烟花中的特殊的一类，叫做礼花。
烟花@Wikipedia
礼花绽放大体上可以分成两个阶段。第一个阶段是礼花弹的升空："嘭"的一声，一个地面上的什么东西飞上了天空。第二个阶段大概是礼花弹的爆裂，哗啦啦，天空中炸出了一朵烟花。这两个阶段分别发生了什么呢？
某一种礼花的内部构造大概是这个样子的 [1]。
礼花构造@pyrouniverse.com
把礼花弹打上天空
当我们点燃导火索（快速引线）之后，引线给小伙伴们撤离的时间，延迟了爆炸。等到引线燃烧到了发射药的时候，点燃发射药。发射药一般就是中国古代炼丹师傅发现的黑火药，礼花点燃之后“嘭”的一声就是这个玩意儿爆炸发出的声音。黑火药的主要成分是硫磺、木炭、硝酸钾，爆炸的反应公式比较复杂，一个典型的化学反应方程式大概长这样（熟悉的一硫二硝三碳）：
这个爆炸反应产生大量热量和高温气体，类似于火箭发射的原理，高温气体产生巨大的推力把壳体推上了高空。在飞向高空的过程中，往往会听到哨子声般的,呲溜的声音，这是烟花的一种声音效应。它来源于一种特殊的热-声耦合的燃烧——脉动燃烧。
脉动燃烧
脉动燃烧是一种特殊的不稳定燃烧过程，燃烧区的温度、压力、气流速度等参数都会随时间周期性波动。在工业化应用脉动燃烧的过程中，会有大量的噪音从燃烧器的尾管中辐射出来 [2]。这种技术涉及了非常多的热-声耦合的非线性过程，大振幅声波效应等，非常复杂，所以目前并没有形成相关的理论 [3]。
但是没有相关的理论并不代表我们没在或者没办法利用它。
从事烟花生产的人已经知道，为了让烟花产生这种口哨般的声音，需要使用一类特殊的燃烧物——笛音剂。把氧化剂（高氯酸钾、氯酸钾）和笛音剂（主要是苯的衍生物）混合装进纸筒或塑料筒，点燃后就会发生脉动燃烧，产生清脆的笛音 [4]。
@参考资料[4]
这种脉动燃烧引起了空气的每秒上千次的激烈震荡，释放出高频声波。所以，装载着笛音剂和氧化剂的燃烧腔在充当推进器的同时，也同时发出了尖锐的口哨般的biu～的声音。
除了升空的烟花，还有一种有名的，有声音的烟花。小编的家乡这边喜欢叫他窜天猴，就是这个玩意儿：
@bilibili-av8389766
这种玩意儿使用的推进剂的配料是高氯酸钾和邻苯二甲酸氢钾。而这个邻苯二甲酸氢钾，从上面的表格中就可以看出，它也是一种笛音剂（虽然燃烧发出的声音频率不稳定，但是依然产生了100dB的声压）。
哗啦啦地绽开一朵烟花
发射药被引爆之后，延时引线被点燃并开始计时。等到壳体飞到高空需要引燃的时候，延时引线也差不多烧干净了。于是开爆药被引爆，把星体炸的满天都是。礼花炸开所呈现的图形取决于星体在壳体中的位置，如果药让礼花炸出特定的形状，就需要精妙地设计星体在礼花中的排列 [5]。
这个星体是啥玩意儿咧？它是整个礼花中最关键也是最具玄机的部分啦～
它的主要成分是镁粉、高氯酸钾和金属盐或金属粉末 [6]。
星体成分@回形针PaperClip——《如何制作爆款烟花》
星体被点燃之后，作为还原剂的镁粉和作为氧化剂的高氯酸钾剧烈燃烧，发出大量的光和热（是并不产生气体），成为了礼花中闪亮的东西。
可是烟花的种种颜色是怎么来的呢？这就涉及到一个和物理、化学都有关系的重要现象——焰色反应。
焰色反应
金属单质或它们的化合物在极高温度的环境下会蒸发成为单独的粒子，只有单独的粒子才能呈现焰色反应。（大块的固体样品并不会有焰色反应，因为块状材料的发光主要和材料中的电子运动有关，大块固体样品中存在各种不同运动状态的电子，所以块状材料发出的光的光谱很宽，并不会呈现出相对单一的颜色 [7]）。而在火焰中游离的金属单质或金属离子在高温下会被激发到有更高能量的激发态。
但是处于较高能量下的激发态原子并不稳定，它总会朝着具有最低能量最稳定的基态跃迁。在这个过程中，原子发出的光子能量（hν）恰好等于激发态（能量为E2）和基态（能量为E1）的能量差。
@Wikipedia
通过这种方式发出的光子的波长，并不依赖于被蒸发的金属粒子的温度，而只依赖于发生跃迁的两个能级之间的能量差，而这个能量差，只和原子的种类有关系。
因此不同的金属离子会有不同的颜色，通过这种方式，我们可以使用各种金属和金属化合物产生各种各样的颜色。
星体之中的金属或金属化合物，被镁和高氯酸钾燃烧放出的巨量热量加热后，通过焰色反应发出了属于它们自己的光芒。
焰色反应的颜色 [8]
结语
从几岁的啥都不知道的傻乎乎的孩童到今天的小编，已经过去了十几个春节。看着文稿，不禁会想起十几年前在烟火面前蹦蹦跳跳的自己。光阴似箭，日月如梭，虽然越来越难亲眼看到礼花的绽放，它们的物理原理和化学原理却越来越清晰。
无论如何，现在正值新春佳节，在开开心心地欣赏烟花绽放的美丽绚烂的同时，不要错过同样美丽和绚烂的，烟花绽放背后的物理和化学原理～
Ps：禁止燃放烟花爆竹的地方要严格遵守规定哦。
参考资料
[1] https://steemit.com/science/@xenvy04/the-chemistry-of-fireworks-happy-fourth-of-july
[2] 邵东伟, 王俊发, 刘远军, 等. 脉动燃烧技术的研究及应用现状[J]. 现代化农业 , 2009 (7):41-43.
[3] 吴云飞, 邓凯, 沈忠良, 等. 脉动燃烧技术进展[J]. 轻工机械, 2013 (1):106-110.
[4] 兰海康. 笛音剂与化学结构的联系[J]. 花炮科技与市场, 1994(1):20-21.
[5] https://zhuanlan.zhihu.com/p/86164747
[6] 如何制作爆款烟花
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test
[8] https://www.compoundchem.com/2013/12/30/the-chemistry-of-fireworks/
编辑：Luna
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