文／科普中國

煙花是如何“上色”的

煙花能呈現(xiàn)各種色彩，并不是真的加入了我們畫畫用的顏料，而是加入了不同的金屬化合物，產(chǎn)生了一種叫“焰色反應(yīng)”的物理變化。焰色反應(yīng)，就是金屬的原子或者離子在火焰中呈現(xiàn)不同顏色的現(xiàn)象。

當(dāng)將金屬元素置入火焰中時(shí)，金屬的外層電子會(huì)吸收火焰能量發(fā)生“躍遷”——即本來擁有穩(wěn)定軌道的電子會(huì)到達(dá)一個(gè)具有更高能量的軌道上。這就好比棒球運(yùn)動(dòng)中的擊球手揮棒擊球，讓本來徑直飛向自己的棒球飛向更高更遠(yuǎn)的地方。

不過，躍遷后的電子并不穩(wěn)定，它們會(huì)馬上回到曾經(jīng)較低的能量狀態(tài)。這就好比棒球無論飛到多高，最后還是會(huì)掉落到地面上一樣。這個(gè)過程同樣稱為躍遷，只不過躍遷方向是從高能量軌道回到低能量軌道。此時(shí)，電子會(huì)將原本吸收的能量以電磁波的形式釋放出來。

不同元素原子中的電子在躍遷時(shí)會(huì)釋放出特定波長的電磁波，這個(gè)波長與具體的元素種類有關(guān)，是原子的特征屬性。不少金屬原子的電子在躍遷時(shí)釋放的電磁波正好位于可見光波段，因此人們可以清楚地看到五彩繽紛的顏色，這就是焰色反應(yīng)名稱的由來。

我們看到的藍(lán)色煙花，其實(shí)就是無數(shù)的電子在以藍(lán)色光的形式向外釋放能量。

一般，人們會(huì)利用銅或者銅的化合物作為發(fā)色劑來產(chǎn)生藍(lán)色，包括銅粉、硫酸銅、碳酸銅、硝酸銅、氫氧化銅、堿式碳酸銅、氯化亞銅等。其中又以氯化亞銅釋放的420～460 納米波長的藍(lán)光最為純正，因?yàn)槠渌~鹽產(chǎn)生的藍(lán)色通常帶有明顯的綠色色調(diào)。

藍(lán)色煙花為什么很難制造？

首先，夜空雖然看起來是黑色，但其實(shí)仍然有相當(dāng)濃重的藍(lán)色調(diào)。讓藍(lán)色煙花從背景中鮮明地凸顯出來并不是一件容易的事情。因?yàn)槌煞值募?xì)微改變就會(huì)造成燃燒溫度、火焰顏色的極大變化，所以調(diào)控焰火劑的配比，從而讓它們呈現(xiàn)出期望中的顏色本來就不是一件容易的事情。制造藍(lán)色煙花還得考慮與夜空背景的對比度，難度可想而知。

其次，還有一個(gè)天然存在的矛盾制約著藍(lán)色煙花的制造。一般來說，焰火劑燃燒時(shí)的溫度越高，焰色反應(yīng)的顏色就越明亮，視覺觀感就越好。但同時(shí)，過高的溫度又會(huì)讓作為發(fā)色劑的金屬鹽類發(fā)生分解，導(dǎo)致金屬原子的狀態(tài)改變，無法釋放出預(yù)期的顏色。最有希望產(chǎn)生純正藍(lán)光的氯化亞銅的分解溫度只有幾百攝氏度，當(dāng)它發(fā)生焰色反應(yīng)時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)開始分解了。因此，想要呈現(xiàn)藍(lán)光，溫度最好控制在1200攝氏度以下，否則就會(huì)產(chǎn)生其他白亮的雜色，影響藍(lán)光的純正性。

不過歸根結(jié)底，藍(lán)色煙花難以制造的原因還是與材料的稀缺性有關(guān)。其他色系對應(yīng)的無機(jī)金屬鹽種類繁多，但能夠產(chǎn)生藍(lán)光的卻幾乎只有氯化亞銅一種。當(dāng)然，如果我們把有機(jī)銅鹽也列入考慮對象，那么可供選擇的對象確實(shí)會(huì)大大增加。問題是，生產(chǎn)煙花需要消耗大量鹽類，成本是非常關(guān)鍵的因素，而有機(jī)鹽類顯然太貴了。

為了尋找氯化亞銅的替代品，人類已經(jīng)努力了幾個(gè)世紀(jì)，不過直到今天，它還是藍(lán)色煙花的首選原料。煙花工程師們只能通過不斷調(diào)試焰火劑的配方來讓最后呈現(xiàn)的藍(lán)色盡量絢麗奪目。