为什么火焰有红有蓝？从温度到成分，拆解火焰颜色里的密码

温度和成分。我们可以将其拆解为两个核心机制：

1. 温度 - 黑体辐射 (主导基础色调)

• 核心原理： 任何温度高于绝对零度的物体都会发出电磁辐射，其波长分布（颜色）取决于物体的温度。这就是黑体辐射定律。
• 温度与颜色的关系：
  • 低温 (约 600°C - 1000°C)： 主要发出不可见的红外线和暗红色的光。这是你看到的篝火余烬或炉灶上小火苗边缘的颜色。
  • 中温 (约 1000°C - 1200°C)： 发出明亮的橙色到黄色光。蜡烛火焰的外焰、木材燃烧的火焰主体通常是这个颜色范围。
  • 高温 (约 1200°C - 1400°C 或更高)： 发出明亮的黄色到白色光，甚至开始出现蓝色。喷灯、焊接火焰、非常旺盛的篝火中心可以达到这个温度。温度极高时（如恒星表面），峰值辐射会进入蓝光甚至紫外区域。
• 在火焰中的应用： 火焰中灼热的微小碳颗粒（烟灰）和不完全燃烧的固体颗粒，其温度决定了它们发出的光的主要色调。温度越高，发出的光波长越短（能量越高），颜色从红->橙->黄->白->蓝变化。这是蜡烛火焰、篝火火焰主体颜色（红、橙、黄）的主要来源。

2. 成分 - 原子/分子发射光谱 (添加特定色彩)

• 核心原理： 当燃料中的原子或分子在火焰的高温中被激发（获得能量），其外层电子会跃迁到更高的能级。当这些电子回落到较低能级时，会以光子的形式释放出特定的能量。不同元素或分子具有独特的能级结构，因此释放出特定波长的光，形成特征发射光谱。这就是焰色反应的原理。
• 关键元素及其颜色：
  • 钠 (Na)： 强烈的黄色 (约 589 nm)。这是最常见的火焰颜色“污染源”。微量的钠盐（如食盐 NaCl）就足以让火焰呈现明显的黄色。蜡烛火焰的黄色主要就来自钠元素（来自灯芯或空气中的盐分）。
  • 钾 (K)： 淡紫色/淡紫色 (约 404 nm, 766 nm)。容易被钠的黄色掩盖，观察时常用钴蓝玻璃滤掉黄光。
  • 钙 (Ca)： 砖红色/橙红色 (约 622 nm)。
  • 锶 (Sr)： 猩红色 (约 661 nm)。常用于红色烟花。
  • 钡 (Ba)： 黄绿色/苹果绿 (约 524 nm, 554 nm)。常用于绿色烟花。
  • 铜 (Cu)： 蓝绿色/翠绿色 (约 510 nm)。在富氧火焰中更明显，常用于蓝色/绿色烟花。注意： 家用燃气灶的蓝色火焰主要来自高温黑体辐射和化学发光，铜元素不是主要原因。
  • 锂 (Li)： 深红色/洋红色 (约 671 nm)。
  • 硼 (B)： 鲜艳的绿色。
• 在火焰中的应用：
  • 纯净的碳氢化合物燃料（如天然气、丙烷、酒精）在氧气充足、完全燃烧时，主要产生高温的二氧化碳和水蒸气，其火焰呈现蓝色。这种蓝色主要来自两个过程：
    • 化学发光： 燃烧过程中产生的激发态中间体分子（如 C₂, CH）在回到基态时发出特定波长的光（CH* 发蓝光约 431 nm）。
    • 高温黑体辐射： 火焰本身温度很高（通常超过 1400°C），其黑体辐射的峰值已进入可见光蓝光区域。
  • 当燃料不完全燃烧时，会产生大量高温的碳颗粒（烟灰），这些颗粒发出强烈的黄光（黑体辐射）。
  • 燃料或杂质中含有上述金属元素时，会为火焰添加其特有的颜色（焰色反应）。烟花就是利用这个原理设计的。

火焰颜色密码的解读：实例分析

蜡烛火焰：

• 底部 (靠近灯芯)： 温度相对较低，氧气充足，燃料蒸气进行较完全的燃烧，主要呈现蓝色（化学发光+高温辐射）。
• 中部 (最亮部分)： 温度高，但氧气供应相对不足，产生大量高温的微小碳颗粒。这些碳粒发出明亮的黄色光（黑体辐射）。同时，灯芯中的钠盐也贡献了黄色。
• 顶部/外部： 温度开始下降，碳粒温度降低，发出橙色到红色的光（黑体辐射）。不完全燃烧的碳粒也可能凝结成烟灰（黑烟）上升。

燃气灶火焰 (正常状态)：

• 理想状态： 天然气/液化气与空气混合良好，燃烧充分。火焰呈现均匀的蓝色（主要来自高温黑体辐射和 CH/C₂ 等激发态分子的化学发光）。
• 异常状态 (黄焰)： 如果空气（氧气）供应不足，燃烧不完全，会产生高温碳粒，火焰尖端或整个火焰变黄色。这通常意味着需要调整风门或清理灶具。

酒精灯火焰：

• 内焰： 燃烧不充分，温度较低，颜色较暗（淡蓝色或几乎无色）。
• 外焰： 燃烧充分，温度最高，呈现明亮的蓝色（化学发光+高温辐射）。通常比蜡烛火焰蓝得多，因为酒精较纯净，产生的碳粒少。

篝火/木材火焰：

• 主要呈现黄色、橙色、红色。这是高温碳粒（来自木材不完全燃烧）的黑体辐射主导的颜色。木材成分复杂，其中含有的钠、钙等元素也贡献了黄色和红色调。火焰底部靠近空气入口处可能有些蓝色区域。

烟花：

• 完全利用特定金属盐的焰色反应来制造五彩缤纷的效果。例如，加入锶盐得红色，钡盐得绿色，铜盐得蓝色，钠盐得黄色，镁粉得耀眼白光（高温燃烧）。

总结：火焰颜色的密码

• 红色/橙色/黄色： 通常指示温度相对较低（但仍在高温范围） 和/或存在高温碳粒（不完全燃烧）。黄色也强烈指示钠元素的存在。
• 蓝色： 通常指示温度很高 和/或 燃烧非常充分（碳氢燃料），主要来自化学发光（CH, C₂）和高温黑体辐射。特定条件下（如含铜化合物）也能产生蓝绿色。
• 白色： 指示极高的温度，黑体辐射覆盖了很宽的可见光谱（红+绿+蓝=白）。常伴有大量明亮的黄色（钠）。
• 绿色、紫色、洋红色等： 几乎总是由特定的金属元素（钡、铜、钾、锂等）的焰色反应引起。

因此，观察火焰的颜色，就像解读一份燃烧报告，它直观地告诉你燃烧进行的温度高低、是否充分，甚至泄露了燃料或污染物中含有哪些特别的元素。