燭火紅，爐火藍，火焰究竟是什麼顏色的？_風聞

原創：中科院物理所

又是一年春來到，在這閤家團聚，卻又為疫情擔憂之時，小編給家裏貼上了窗花，春聯，掛上了紅紅火火的小福袋，希望新的一年能夠平平安安順順利利。這些物品都有一個共同的特點，那就是紅。    

紅色是喜慶的顏色，不管是正紅色珊瑚紅豆沙色西柚紅還是櫻桃紅，都是受大家喜歡的顏色，我們也常將紅色和火聯繫起來，比如成語紅紅火火。那麼，火就一定是紅的嗎？

相信仔細觀察過蠟燭燃燒的小夥伴一定知道並不是這樣的，火焰的顏色多種多樣，而且在一團火焰的不同區域還會存在不同的顏色。

   可燃冰燃燒的淡藍色火焰(來源：kknews.cc)

蠟燭燃燒的橙色火焰（來源：sc.chinaz.com）

要研究火是什麼顏色的，我們首先就需要知道，顏色是什麼？還需要了解，火是什麼？

顏色

牛頓的三稜鏡實驗，開創了光譜學先河（來源：cjl.opticsjournal.net）

當我們的眼睛接收到物體反射的光時，我們就看見了這個物體。而光是一種電磁波，在可見光範圍內，對應不同的波長，我們能看見不同的顏色。例如當波長在620~750  納米之間時，我們會看見紅光。

可見光的光譜（來源：維基百科）

通過可見光的光譜可知，紅色的光具有較長的波長，較低的頻率，而光子的能量由頻率決定，正比於頻率，比例係數為普朗克常數，故紅光對應的能量較低，而藍光對應的能量較高。這與我們的常識有所不同，我們一般會認為紅色代表熱或者危險，但在光譜學中它代表的是相對較低的能量。而藍色給我們冰冷的感覺，但在光譜學中恰恰相反，它代表着比紅、黃等顏色都要高的能量。

但我們需要注意的是，除非是由物體直接發出的光，否則，我們並不能以物體的顏色來判斷物體的能量、温度。例如，漫反射紅光的物體並不代表就比漫反射藍光的物體温度低，要驗證這個大家只需要摸摸自己紅色的衣服和藍色的衣服（反射的光）就可。因而，我們可以利用紅外輻射判斷物體的温度（紅外測温儀就是這一原理），但卻不能通過看到的布料的顏色判斷布料的温度。

事實上，決定我們所看到的物體顏色的，除了物體自身發出的光之外，還有就是物體的結構。前一種可通過鈉黃燈來理解，由於鈉原子躍遷，能級差對應589.6nm和589nm兩種波長的光的能量，故鈉黃燈發出黃色的光，在較遠處，我們看見此時的鈉黃燈是一團黃色的。而後一種情況，則在自然界中普遍存在。比如我們看到的衣服、傢俱的顏色，都是因為他們的表面結構只能漫反射對應波長的光；又如藍色的天空，這是因為瑞利散射對短波長散射較強，所以天空偏藍；還有就是光子晶體，比如孔雀羽毛的顏色，放大了看並不是其中含有某種顏色的色素而是因為它的週期性排列的結構只允許某一種顏色的光通過。故結構決定物體的顏色。

微觀視野裏的孔雀的羽毛（來源：sohu.com）

火

我們所看見的火焰（火的可見部分），是由燃燒產生的。燃燒是物體快速氧化，產生光和熱的過程，它的本質是氧化還原反應。廣義上任何發光、發熱、劇烈的氧化還原反應都可以叫燃燒。

燃燒需要可燃物、助燃物以及温度達到燃點這三個要素並存。作為一種釋放能量的反應，燃燒釋放的能量決定了火光的顏色。

以蠟燭的燃燒作為具體例子，點燃蠟燭時，用打火機或者火柴所施加的熱量使得蠟燭中的燃料分子熱運動加速，即達到燃點，在這種狀態下它們可以很容易的與空氣中的氧發生放熱反應，放熱反應釋放大量的能量，包括熱與光，使得更多的燃料達到燃點，燃燒更加劇烈，從而維持穩定的火焰。

蠟燭的燃燒（來源：維基百科）

如果忽略剛才對於結構影響物體顏色的分析，我們可能會認為蠟燭火焰温度越高的地方越偏藍，温度越低的地方顏色越偏紅。觀察蠟燭的燃燒，我們會發現大部分地方都是橙色的，在下面的邊緣處會有少量的藍邊。但事實上蠟燭火焰上方橙色處的温度高於邊緣藍色的温度，這是為什麼呢？

事實上由於蠟燭中含有大量的碳，碳元素在燃燒過程中並沒有完全燃燒，在火焰中仍然浮有大量的碳顆粒，這些碳顆粒被加熱到極高的温度，卻因為沒有足夠的氧氣而沒有燃燒，在高温下發出橙紅色的光（黑體輻射），使得火焰大部分地方呈現橙色。由黑體輻射的特徵，輻射出橙色光的地方比紅色光的地方温度要高，讀者們可以聯繫燒紅的碳。[1]而在蠟燭的下部邊緣區域，是燃料蒸發的區域，捲入的燃化劑和燃料都較少，且燃燒充分，不會存在碳顆粒懸浮，因而透出燃燒時碳氫元素氧化發出的藍光（由電子在原子不同能級之間躍遷造成）。

燒紅的碳（來源：68design.net）

而對於前面所給出的可燃冰燃燒圖片，以及下圖所示的煤氣爐燃燒的藍色火焰，則都是燃燒的甲烷而非木柴或者蠟，由於甲烷中的碳燃燒的很充分，從而沒有碳顆粒懸浮，因而火焰呈現明亮的藍色。

煤氣爐燃燒的藍色火焰[1]

利用煤氣噴燈，控制氣孔的開閉，可以驗證這一點。隨着氣孔開放程度越來越大，氣體燃燒越來越充分，最終變成完全氧化的藍色火焰。

煤氣燈在不同氣孔開放程度下的火焰[2]

由此，我們知道了，對於碳元素的燃燒，完全燃燒與不完全燃燒具有不同的顏色，燃燒越充分顏色越接近藍色。[3]

除了燃燒充分與否之外，對於完全燃燒的情況，由於不同元素原子的能級不同，能級差也不一樣，當鹼金屬及其化合物在火焰中灼燒時，原子中電子吸收能量從較低的軌道躍遷至高能級軌道，由於高能級軌道的不穩定，電子很快就躍遷回能量較低的軌道，躍遷時多餘的能量以光的形式放出，不同的元素會放出不同顏色的光。例如，鋇會產生一種綠色的火焰，鈉會產生黃色的光，也就是焰色反應，可以在煙花中看到。而對於前文提到的蠟燭等情況，燃料中的碳和氫完全氧化時會產生藍色和紫色的火焰，因而我們能在煤氣灶或蠟燭火焰底部邊緣看到藍色火焰。[4]

含有不同化學元素的燃料燃燒產生的火焰（來源：YouTube）

因此，火的顏色多種多樣，燃燒是否充分，燃料中的元素種類都會影響火的顏色。最後，以一張的絢麗焰火，祝大家新的一年燦爛多彩~

（來源：攝圖網）

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參考文獻：

[1] What Does the Color of a Flame Mean?

[2] What Are the Colors of a Fire & How Hot Are They?

[3] Color and  Temperature.

[4] Flame Colours.