為什麽煙花是五顏六色的?學過初中化學的人都知道這叫焰色反應。不同金屬化合物燃燒時的顏色不一樣,例如銅是綠色,鉀是紫紅,鈣是橘黃。但焰色反應背後的具體原因是什麽呢?初中化學裏沒有講清楚,因為這涉及量子力學的知識。
為了理解焰色反應背後的原理,我們要了解四個物理學知識。第一個物理學知識很簡單,我們知道光其實就是電磁波,而可見光則是波長在380~760納米範圍內的電磁波。光有不同顏色,是因為它們作為電磁波的波長不一樣,紅光的波長長,藍光的波長短。焰色反應發出不同顏色的光,就是因為不同金屬化合物在燃燒的時候,釋放出的光的波長不一樣。
第二個物理學知識叫作能量最低原理。任何一個物理係統,它最穩定的狀態一定對應能量最低的狀態。譬如一瓶水,它如果是立在桌子上,你輕輕一推它就倒了,但如果它本來就倒在桌子上,你輕輕一推,它是不會自己站起來的。倒著的水瓶的重心比立著的水瓶要低,它的重力勢能比立著的時候低,總能量更低,所以它更穩定。這就是能量最低原理的一個展現。
第三個物理學知識叫能級量子化。我們知道原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子構成的,電子在原子核周圍運動,隨著運動情況的不同,電子的能量有可能高也有可能低,譬如電子運動速度快一點的話,它的能量就高,慢一點的話能量就低。但是原子裏電子的能量是量子化的,什麽叫量子化?就是它的能量不是隨便取什麽值都可以的,它隻能取幾個特定的值,每個值之間有一定的間隔。也就是說,原子裏電子的能量不是像一個滑梯一樣,什麽值都可以連續地存在,而是跟階梯一樣,隻有特定的一些值可以存在。
第四個物理學知識叫能量守恒定律,也就是能量不能憑空出現,也不能憑空消失,一個封閉係統內的總能量永遠是不變的。
有了這四個知識的鋪墊,我們就能更好地理解焰色反應了。
金屬在燃燒的時候,原子裏的電子由於溫度升高,會獲得更多能量,於是它就會處在能量較高的狀態,術語叫作電子會往更高的能級“躍遷”,但高能量的狀態是不穩定的。根據能量最低原理,這些電子最終會落到原來的能級,掉下來之後,電子的能量降低了,再根據能量守恒定律,電子的能量不能憑空降低,這些能量必須轉化成其他形式的能量,於是這些能量轉化成光釋放出來,光的波長決定了它看上去是什麽顏色,這就形成了焰色反應。
不同金屬原子的能量等級是不一樣的,它裏麵就好比有能量高低不同的台階,不同金屬原子裏電子能量的變化不一樣,釋放出的光的波長也就不一樣,於是就出現了五顏六色。煙花的火藥裏麵有不同金屬的化合物,我們可以根據不同種類的火藥配比,放出不同顏色的煙花。
所以你看,放煙花這麽一個日常生活中很常見的事情,它裏麵的物理知識可不少,甚至已經觸及量子力學的領域了。生活中處處是科學、處處是物理。