科学视点

美丽的蓝色烟花为何不常见?

最近热播的电视剧《三十而已》中,除了面临复杂感情和多重压力的三位都市女性之外,男主角许幻山也引起了广泛的关注,尤其是他在剧中饰演的烟花设计师这一角色,在以往的影视作品中极少出现。

许幻山在剧中最得意的作品,是一款蓝色烟花。这种蓝色烟花不仅是他心中的最高梦想被反复提及,更是作为推动剧情的重要元素不断出现。

在剧情中,因为大量囤积蓝色烟花并保管不当导致发生安全事故。在这次事故后,许幻山的烟花公司破产,而他的婚姻也终结。

有网友表示,在现实中蓝色烟花确实很少见。那么,蓝色烟花真的很难制作吗?保管有什么特别需要谨慎的地方?传统的烟花经历了千百年的传承创新后,烟花的组成有哪些变化?展现颜色、声响和造型等特效,需要哪些技术创新?

烟花的组成既简单又复杂

“烟花也称烟火,烟火顾名思义就是烟与火,烟火是烟与火的艺术与科学。”南京理工大学原烟火研究室主任、博士生导师潘功配教授说。

传统烟火依靠黑火药作为发射药和效果药,而黑火药又是中国的四大发明之一,因此,烟火也是中国古代劳动人民的文化与科学融合的结晶。

早在《后武林旧事》中,就记录了宋孝宗观海潮放烟火的情景;宋理宗在位时,周密在《齐东野语》中也记载了当时皇宫观看烟花的故事。到元朝、明朝,许多诗人、文学家都有有关燃放烟花爆竹这方面的记述。自清代以来,鞭炮烟花的使用就更加普遍了。

经过千百年的传承与创新,现代烟火已经成为一门被称之为烟火学的科学,它研究的主题是烟火药及其燃烧与爆炸化学反应,所产生的光、声、烟、热、颜色、气动等物理效应与应用。

“黑火药是最初的烟火药,黑火药配方组成为《一硝二磺三木炭》,即十六两制称的1斤硝酸钾,二两硫磺,三两木炭。”潘功配告诉记者,现代烟火药既不同于一般火药,也不同于一般炸药,是由氧化剂、可燃剂和粘合剂混合制而成的特殊含能材料。

一般小型烟火比较简单,由硬纸筒包裹着烟火药,点燃导火索后引燃发射药,将烟花效果件升空至一定高度后,分散点火,产生声光烟的观赏效果。

但是大型烟花则复杂得多。如礼花弹(多为球型),燃放时由炮管(目前多采用玻璃钢管)发射到高空,采用计算机编程,程控电子点火,空中造型,组图作画。

烟花观赏效果取决于烟花效果药剂的制作。烟花效果药剂的制作过程中还加入一些发光剂和发色剂,只有这样才能够使烟花绽放出五彩缤纷的颜色。发光剂是金属粉,如铝粉、铝镁合金粉等。当这些金属燃烧时,会发出白炽的强光。发色剂要使用锶盐(红色)、钡盐(绿色)、铜盐(蓝色)、钠盐(黄色)等。

大型烟花内部的装药量也很多,动辄达一公斤以上,而小型烟花只有几克。例如,一个直径为20厘米的礼花弹在发射后,要上升到大概200米的高空才会爆炸,而这些星星点点覆盖的半径大约可以有80米左右。

蓝色烟花为何少见且危险

在现实中,蓝色烟火确实不常见,为什么蓝色烟花如此少见呢?

潘功配表示,首先要了解下烟花是如何“上色”的。烟花能呈现各种色彩,并不是真的加入了颜料,而是在烟火药中加入了不同的金属化合物,通过燃烧反应使火焰产生光谱效能。

当将金属元素置入火焰中时,金属的外层电子会吸收火焰能量发生“跃迁”。不过,跃迁后的电子并不稳定,它们会马上回到曾经较低的能量状态。此时,电子会将原本吸收的能量以电磁波的形式释放出来。不同元素原子中的电子在跃迁时会释放出特定波长的电磁波,某些金属原子的电子在跃迁时释放的电磁波正好位于可见光波段,因此人们可以清楚地看到五彩缤纷的颜色。

“并不是任何的金属化合物都能呈现漂亮的颜色,比如一氯化铜分子辐射在光谱中呈现的蓝色最纯正,一氯化锶分子辐射呈现的红色最纯正,一氯化钡分子辐射呈现的绿色最纯正,而钠原子辐射呈现的就是黄色。”潘功配说。

因此,我们看到的蓝色烟花,其实就是无数的电子在以蓝色光的形式向外释放能量。

相较于红光、绿光、黄光等其它颜色,蓝光烟花生产、保存难度确实比较大,这是因为蓝光中含有铜离子,它使得药物配方相容性不好,贮存稳定性较差。

“其实不管哪种烟花,存放时都有一个组分相容性问题,不同组分之间会发生化学固态反应,蓝光烟花中的铜离子会起到类似催化剂的作用,使烟火药不同组分加速反应,所以贮存周期短,对存放条件有特别要求,比如恒温恒湿等。”潘功配说。

因此,销毁烟花必须要用科学方法。潘功配总结出了 “ 一懂、二知、三依规 ”法则,“前几年,有的烟花生产公司因为没有专业指导,私自销毁烟花,比如直接将不明药物倒入水中,比如用石灰加上水,埋在土里,造成了销毁处理过程中的意外爆炸。之后,国家相应出台了一系列规章制度,规范了烟花销毁方式。”他表示,烧毁处理烟花爆竹时,一定要知晓药物特性和产品类别,按规范操控,在安全距离之外以电点火方式是必要的。

创新带来观赏效果大提升

在《三十而已》电视剧中,还出现了“拼字烟花”。现实中,湖南浏阳市的烟花企业也蹭着电视剧的热度,为“顾佳”燃放了带有燃放了带有“GJ”缩写的专场烟花秀,在网上引发一波热议。

潘功配表示拼字烟花和图案烟花,首先是效果药剂制造要确保所设计的燃放效果要求,其次是用好计算机编程,完成好程控发射,精准点火。

为了营造特殊的字符或图案,还可以在地面设置相应图形的发射阵列,如北京奥运会开幕式上让人印象深刻的大脚印,就是通过在地面以大脚印的阵列事先放置好一组32个炮管,通过电子点火,32个药球发射到同一高度、同时精准点火,32个亮珠就呈现出大脚印的观赏效果。

此外,不同各类的烟火药也带来不同的燃放效果。比如产生光的药剂有照明剂、闪光剂、发光信号剂等,产生声音的药剂有笛音剂、爆音剂、声响模拟剂等,产生烟的药剂有发烟剂、有色发烟剂等,还有产生热、气动、延期等不同效应的药剂。

据潘功配介绍,为了保护环境,很多烟花爆竹配方中不采用含有重金属和硫元素的物质,从而减少了二氧化硫和其他硫化物的生成。其次是减少了金属粉的用量,基本使用有机物作为可燃物,从而减少金属粉燃烧后产生的可吸入颗粒物。三是通过改变氧化剂和可燃物的量来改变系统的氧平衡和燃烧温度,控制燃烧反应。

“目前很多城市禁放烟花有利有弊,从城市管理角度来看,烟花导致的安全事故会少一些,但是在我国传承了千百年的烟火技术和文化却在慢慢淡化。”潘功配表示,最近日本正在把烟花爆竹申报为世界非物质文化遗产,这是匪夷所思的现象,中国人的发明难道中国人自已不爱就这样拱手送给外国人?“烟花爆竹是文化,烟花爆竹是科学,文化则需要去传承,科学就是要去公关,去发展创新,相信世上无难事,铁杵定能磨成针,烟花爆竹的安全环保只要以科学的方式去攻关,应该能突破。”他认为,中国是世界烟火技术的发源地,是世界烟火技术的故乡,特别是中国的烟花爆竹,是中华民族的伟大发明与创造,是我们祖先聪明才智的智慧结晶,也是当今中国在世界上最具有完全自主知识产权和话语权的中国人的一项古代发明创造。传承文化,责无旁贷,使命光荣!对于这项老祖宗留下的宝贵财富不能一禁了之。



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