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       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螅h處的天空就綻開一朵明亮而五彩的煙花，絢爛而美麗。


       所以，當(dāng)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(chǎn)生的煙花是那個樣子的呢？煙花究竟是怎么設(shè)計，怎么制作，才能呈現(xiàn)那般璀璨的效果呢？

       煙花的品種明目繁多，而一般電視節(jié)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(fā)生了什么呢？

       某一種禮花的內(nèi)部構(gòu)造大概是這個樣子的 [1]。


把禮花彈打上天空

       當(dāng)我們點燃導(dǎo)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(fā)射藥的時候，點燃發(fā)射藥。發(fā)射藥一般就是中國古代煉丹師傅發(fā)現(xiàn)的黑火藥，禮花點燃之后“嘭”的一聲就是這個玩意兒爆炸發(fā)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(yīng)公式比較復(fù)雜，一個典型的化學(xué)反應(yīng)方程式大概長這樣（熟悉的一硫二硝三碳）：
       這個爆炸反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量和高溫氣體，類似于火箭發(fā)射的原理，高溫氣體產(chǎn)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(yīng)。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(wěn)定燃燒過程，燃燒區(qū)的溫度、壓力、氣流速度等參數(shù)都會隨時間周期性波動。在工業(yè)化應(yīng)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(shù)涉及了非常多的熱-聲耦合的非線性過程，大振幅聲波效應(yīng)等，非常復(fù)雜，所以目前并沒有形成相關(guān)的理論 [3]。

       但是沒有相關(guān)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(chǎn)的人已經(jīng)知道，為了讓煙花產(chǎn)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(fā)生脈動燃燒，產(chǎn)生清脆的笛音 [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(dāng)推進器的同時，也同時發(fā)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(xiāng)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(fā)出的聲音頻率不穩(wěn)定，但是依然產(chǎn)生了100dB的聲壓）。

嘩啦啦地綻開一朵煙花

       發(fā)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(xiàn)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(shè)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(guān)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(fā)出大量的光和熱（是并不產(chǎn)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(xué)都有關(guān)系的重要現(xiàn)象——焰色反應(yīng)。

焰色反應(yīng)

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

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

       通過這種方式發(fā)出的光子的波長，并不依賴于被蒸發(fā)的金屬粒子的溫度，而只依賴于發(fā)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(guān)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(chǎn)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(yīng)發(fā)出了屬于它們自己的光芒。



結(jié)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(jīng)過去了十幾個春節(jié)?？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(xué)原理卻越來越清晰。

       無論如何，現(xiàn)在正值新春佳節(jié)，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(xué)原理～

       Ps：禁止燃放煙花爆竹的地方要嚴格遵守規(guī)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(fā), 劉遠軍, 等. 脈動燃燒技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) , 2009 (7):41-43.
[3] 吳云飛, 鄧凱, 沈忠良, 等. 脈動燃燒技術(shù)進展[J]. 輕工機械, 2013 (1):106-110.
[4] 蘭?？? 笛音劑與化學(xué)結(jié)構(gòu)的聯(lián)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/