烛火红，炉火蓝，火焰究竟是什么颜色的？_风闻

原创：中科院物理所

又是一年春来到，在这合家团聚，却又为疫情担忧之时，小编给家里贴上了窗花，春联，挂上了红红火火的小福袋，希望新的一年能够平平安安顺顺利利。这些物品都有一个共同的特点，那就是红。    

红色是喜庆的颜色，不管是正红色珊瑚红豆沙色西柚红还是樱桃红，都是受大家喜欢的颜色，我们也常将红色和火联系起来，比如成语红红火火。那么，火就一定是红的吗？

相信仔细观察过蜡烛燃烧的小伙伴一定知道并不是这样的，火焰的颜色多种多样，而且在一团火焰的不同区域还会存在不同的颜色。

   可燃冰燃烧的淡蓝色火焰(来源：kknews.cc)

蜡烛燃烧的橙色火焰（来源：sc.chinaz.com）

要研究火是什么颜色的，我们首先就需要知道，颜色是什么？还需要了解，火是什么？

颜色

牛顿的三棱镜实验，开创了光谱学先河（来源：cjl.opticsjournal.net）

当我们的眼睛接收到物体反射的光时，我们就看见了这个物体。而光是一种电磁波，在可见光范围内，对应不同的波长，我们能看见不同的颜色。例如当波长在620~750  纳米之间时，我们会看见红光。

可见光的光谱（来源：维基百科）

通过可见光的光谱可知，红色的光具有较长的波长，较低的频率，而光子的能量由频率决定，正比于频率，比例系数为普朗克常数，故红光对应的能量较低，而蓝光对应的能量较高。这与我们的常识有所不同，我们一般会认为红色代表热或者危险，但在光谱学中它代表的是相对较低的能量。而蓝色给我们冰冷的感觉，但在光谱学中恰恰相反，它代表着比红、黄等颜色都要高的能量。

但我们需要注意的是，除非是由物体直接发出的光，否则，我们并不能以物体的颜色来判断物体的能量、温度。例如，漫反射红光的物体并不代表就比漫反射蓝光的物体温度低，要验证这个大家只需要摸摸自己红色的衣服和蓝色的衣服（反射的光）就可。因而，我们可以利用红外辐射判断物体的温度（红外测温仪就是这一原理），但却不能通过看到的布料的颜色判断布料的温度。

事实上，决定我们所看到的物体颜色的，除了物体自身发出的光之外，还有就是物体的结构。前一种可通过钠黄灯来理解，由于钠原子跃迁，能级差对应589.6nm和589nm两种波长的光的能量，故钠黄灯发出黄色的光，在较远处，我们看见此时的钠黄灯是一团黄色的。而后一种情况，则在自然界中普遍存在。比如我们看到的衣服、家具的颜色，都是因为他们的表面结构只能漫反射对应波长的光；又如蓝色的天空，这是因为瑞利散射对短波长散射较强，所以天空偏蓝；还有就是光子晶体，比如孔雀羽毛的颜色，放大了看并不是其中含有某种颜色的色素而是因为它的周期性排列的结构只允许某一种颜色的光通过。故结构决定物体的颜色。

微观视野里的孔雀的羽毛（来源：sohu.com）

火

我们所看见的火焰（火的可见部分），是由燃烧产生的。燃烧是物体快速氧化，产生光和热的过程，它的本质是氧化还原反应。广义上任何发光、发热、剧烈的氧化还原反应都可以叫燃烧。

燃烧需要可燃物、助燃物以及温度达到燃点这三个要素并存。作为一种释放能量的反应，燃烧释放的能量决定了火光的颜色。

以蜡烛的燃烧作为具体例子，点燃蜡烛时，用打火机或者火柴所施加的热量使得蜡烛中的燃料分子热运动加速，即达到燃点，在这种状态下它们可以很容易的与空气中的氧发生放热反应，放热反应释放大量的能量，包括热与光，使得更多的燃料达到燃点，燃烧更加剧烈，从而维持稳定的火焰。

蜡烛的燃烧（来源：维基百科）

如果忽略刚才对于结构影响物体颜色的分析，我们可能会认为蜡烛火焰温度越高的地方越偏蓝，温度越低的地方颜色越偏红。观察蜡烛的燃烧，我们会发现大部分地方都是橙色的，在下面的边缘处会有少量的蓝边。但事实上蜡烛火焰上方橙色处的温度高于边缘蓝色的温度，这是为什么呢？

事实上由于蜡烛中含有大量的碳，碳元素在燃烧过程中并没有完全燃烧，在火焰中仍然浮有大量的碳颗粒，这些碳颗粒被加热到极高的温度，却因为没有足够的氧气而没有燃烧，在高温下发出橙红色的光（黑体辐射），使得火焰大部分地方呈现橙色。由黑体辐射的特征，辐射出橙色光的地方比红色光的地方温度要高，读者们可以联系烧红的碳。[1]而在蜡烛的下部边缘区域，是燃料蒸发的区域，卷入的燃化剂和燃料都较少，且燃烧充分，不会存在碳颗粒悬浮，因而透出燃烧时碳氢元素氧化发出的蓝光（由电子在原子不同能级之间跃迁造成）。

烧红的碳（来源：68design.net）

而对于前面所给出的可燃冰燃烧图片，以及下图所示的煤气炉燃烧的蓝色火焰，则都是燃烧的甲烷而非木柴或者蜡，由于甲烷中的碳燃烧的很充分，从而没有碳颗粒悬浮，因而火焰呈现明亮的蓝色。

煤气炉燃烧的蓝色火焰[1]

利用煤气喷灯，控制气孔的开闭，可以验证这一点。随着气孔开放程度越来越大，气体燃烧越来越充分，最终变成完全氧化的蓝色火焰。

煤气灯在不同气孔开放程度下的火焰[2]

由此，我们知道了，对于碳元素的燃烧，完全燃烧与不完全燃烧具有不同的颜色，燃烧越充分颜色越接近蓝色。[3]

除了燃烧充分与否之外，对于完全燃烧的情况，由于不同元素原子的能级不同，能级差也不一样，当碱金属及其化合物在火焰中灼烧时，原子中电子吸收能量从较低的轨道跃迁至高能级轨道，由于高能级轨道的不稳定，电子很快就跃迁回能量较低的轨道，跃迁时多余的能量以光的形式放出，不同的元素会放出不同颜色的光。例如，钡会产生一种绿色的火焰，钠会产生黄色的光，也就是焰色反应，可以在烟花中看到。而对于前文提到的蜡烛等情况，燃料中的碳和氢完全氧化时会产生蓝色和紫色的火焰，因而我们能在煤气灶或蜡烛火焰底部边缘看到蓝色火焰。[4]

含有不同化学元素的燃料燃烧产生的火焰（来源：YouTube）

因此，火的颜色多种多样，燃烧是否充分，燃料中的元素种类都会影响火的颜色。最后，以一张的绚丽焰火，祝大家新的一年灿烂多彩~

（来源：摄图网）

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参考文献：

[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.