當我們看見夜空中所綻放的繽紛煙火時,總會思考這五光十色的煙火是如何形成的。每一顆煙火彈體內,是由無數的藥珠(星)和火藥所組成。在製作藥珠的過程中,加入了發光劑與發色劑。使得藥珠燃燒後,化學物質受熱升溫而產生五彩繽紛的顏色。
主要成分
最早的煙火是由木炭、硫磺和硝石(硝酸鉀)混合而成,其木炭和硫磺是作為燃料,硝石作為酸化劑,此時煙火只有赤橙色。隨後在製作過程中添加了發光劑和發色劑,讓煙火的光跡呈現出繽紛色彩的火星。
『發光劑』的原理是使用「鎂」粉「鋁」粉的氧化過程,當這些金屬粉末燃燒時,會發出的白熾的強光及熱能。
『發色劑』最常用為金屬化合物,內含有金屬離子,當被燃燒時會發出獨特專屬的火焰顏色,又稱為(焰色反應)。
焰色反應
當引進高溫火燄時, 化學物質氣化、原子化及激發電子,使金屬原子核外的電子吸收熱能而躍遷處於激發狀態。電子在激發態的壽命很短,立刻又躍遷回基態,將多餘的能量以光的形式放出。由不同能階轉移至另ㄧ能階所放射的光波長不同,因此肉眼可見不同焰色。
煙火能呈現出各種顏色,就是在藥珠的製作過程中,添加了不同的金屬化合物。經過了『焰色反應』的變化,讓火焰呈現出不同顏色的景象。常見有以下顏色。
- 紅色煙火利用鍶鹽類,裡面包含硝酸鍶、碳酸鍶、硫酸鍶等物質
- 橘色則是鈣鹽類,包含碳酸鈣、氯化鈣、硫酸鈣
- 黃色則為鈉鹽類,包含硝酸鈉、草酸鈉、冰晶石(氟鋁酸鈉)
- 綠色來自鋇鹽類,包含硝酸鋇、碳酸鋇、氯化鋇、氯酸鋇
- 藍色產生自銅鹽類,包含氯化銅、碳酸銅、氧化銅
- 紫色則是銅化合物結合鍶化合物所產生
- 白色是燃燒鎂、鋁、鈦總合所得
藥珠製程
根據所需的藥珠顏色,煙火師傅先取約五至十種的化學原料,以一定比例加以過篩混合,並去除雜質後,獲得煙火顏色的原料。其中的內容與比例,是廠商的最高機密。接著按照燃燒先後順序,進行滾藥造粒工程,就完成我們所看見的煙火顏色了。
基本上,藥珠的結構如右圖所示。 以『菊先青紅』作為案例。藥珠會從外圍向內部燃燒,在過程中改變了顏色。
進化演變
煙火在江戶時期,最早只有赤橙色。花火師們利用木炭的材質與比例去調整亮度,稱為和火。在明治維新後,西洋傳入化學劑後,花火才開始有了繽紛的色彩,稱作洋火。
在以前因知識不足,混合粉末時會引起化學變化而產生意外,只有紅、藍、黃、綠、紫、金、銀等基本顏色。 近數十年隨著科學的知識增長和化學原料的製程進步,花火師的不斷研究,誕生了水色、粉紅、檸檬、橙等新的顏色。