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       在小編還很小的時(shí)候，每次過(guò)年都喜歡跑到陽(yáng)臺(tái)上去看焰火。“嘭”的一聲之后，遠(yuǎn)處的天空就綻開(kāi)一朵明亮而五彩的煙花，絢爛而美麗。


       所以，當(dāng)時(shí)年幼無(wú)知的小編不由得心生疑問(wèn)…為什么地面上的一個(gè)小箱子，點(diǎn)火引燃之后產(chǎn)生的煙花是那個(gè)樣子的呢？煙花究竟是怎么設(shè)計(jì)，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(kāi)的那種，是煙花中的特殊的一類(lèi)，叫做禮花。

       禮花綻放大體上可以分成兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是禮花彈的升空："嘭"的一聲，一個(gè)地面上的什么東西飛上了天空。第二個(gè)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(gè)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(gè)樣子的 [1]。


把禮花彈打上天空

       當(dāng)我們點(diǎn)燃導(dǎo)火索（快速引線(xiàn)）之后，引線(xiàn)給小伙伴們撤離的時(shí)間，延遲了爆炸。等到引線(xiàn)燃燒到了發(fā)射藥的時(shí)候，點(diǎn)燃發(fā)射藥。發(fā)射藥一般就是中國(guó)古代煉丹師傅發(fā)現(xiàn)的黑火藥，禮花點(diǎn)燃之后“嘭”的一聲就是這個(gè)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(gè)典型的化學(xué)反應(yīng)方程式大概長(zhǎng)這樣（熟悉的一硫二硝三碳）：
       這個(gè)爆炸反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量和高溫氣體，類(lèi)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(guò)程中，往往會(huì)聽(tīng)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(lái)源于一種特殊的熱-聲耦合的燃燒——脈動(dòng)燃燒。


脈動(dòng)燃燒

       脈動(dòng)燃燒是一種特殊的不穩(wěn)定燃燒過(guò)程，燃燒區(qū)的溫度、壓力、氣流速度等參數(shù)都會(huì)隨時(shí)間周期性波動(dòng)。在工業(yè)化應(yīng)用脈動(dòng)燃燒的過(guò)程中，會(huì)有大量的噪音從燃燒器的尾管中輻射出來(lái) [2]。這種技術(shù)涉及了非常多的熱-聲耦合的非線(xiàn)性過(guò)程，大振幅聲波效應(yīng)等，非常復(fù)雜，所以目前并沒(méi)有形成相關(guān)的理論 [3]。

       但是沒(méi)有相關(guān)的理論并不代表我們沒(méi)在或者沒(méi)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(lèi)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(jìn)紙筒或塑料筒，點(diǎn)燃后就會(huì)發(fā)生脈動(dòng)燃燒，產(chǎn)生清脆的笛音 [4]。

       這種脈動(dòng)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(jìn)器的同時(shí)，也同時(shí)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(gè)玩意兒：

       這種玩意兒使用的推進(jìn)劑的配料是高氯酸鉀和鄰苯二甲酸氫鉀。而這個(gè)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(kāi)一朵煙花

       發(fā)射藥被引爆之后，延時(shí)引線(xiàn)被點(diǎn)燃并開(kāi)始計(jì)時(shí)。等到殼體飛到高空需要引燃的時(shí)候，延時(shí)引線(xiàn)也差不多燒干凈了。于是開(kāi)爆藥被引爆，把星體炸的滿(mǎn)天都是。禮花炸開(kāi)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(jì)星體在禮花中的排列 [5]。

       這個(gè)星體是啥玩意兒咧？它是整個(gè)禮花中最關(guān)鍵也是最具玄機(jī)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(diǎn)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(lái)的呢？這就涉及到一個(gè)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(huì)蒸發(fā)成為單獨(dú)的粒子，只有單獨(dú)的粒子才能呈現(xiàn)焰色反應(yīng)。（大塊的固體樣品并不會(huì)有焰色反應(yīng)，因?yàn)閴K狀材料的發(fā)光主要和材料中的電子運(yùn)動(dòng)有關(guān)，大塊固體樣品中存在各種不同運(yùn)動(dòng)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(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)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(huì)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(huì)朝著具有最低能量最穩(wěn)定的基態(tài)躍遷。在這個(gè)過(guò)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(guò)這種方式發(fā)出的光子的波長(zhǎng)，并不依賴(lài)于被蒸發(fā)的金屬粒子的溫度，而只依賴(lài)于發(fā)生躍遷的兩個(gè)能級(jí)之間的能量差，而這個(gè)能量差，只和原子的種類(lèi)有關(guān)系。

       因此不同的金屬離子會(huì)有不同的顏色，通過(guò)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(guò)焰色反應(yīng)發(fā)出了屬于它們自己的光芒。



結(jié)語(yǔ)

       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(guò)去了十幾個(gè)春節(jié)?？粗母?，不禁會(huì)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(lái)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(lái)越清晰。

       無(wú)論如何，現(xiàn)在正值新春佳節(jié)，在開(kāi)開(kāi)心心地欣賞煙花綻放的美麗絢爛的同時(shí)，不要錯(cuò)過(guò)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(yán)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(yuǎn)軍, 等. 脈動(dòng)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(dòng)燃燒技術(shù)進(jìn)展[J]. 輕工機(jī)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(chǎng), 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/