为什么蓝色火焰温度最高？ 第1页

首先，蓝色火焰的温度不一定更高——比如蜡烛在燃烧时，底部是蓝色的但是温度却更低；但是有时蓝色火焰温度会更高，比如说本生灯不完全燃烧时火焰是黄色的，而完全燃烧则是蓝色的。我们需要来具体谈谈火焰颜色的机理。

专门为火焰颜色的解释做了一个视频哦，欢迎来看看点个赞

而实际上，火焰的颜色一共有两种贡献。第一种叫做黑体辐射——任何温度高于绝对零度的物体都会释放辐射^[1]；第二种是电子辐射跃迁。

黑体辐射

我们先来讨论第一种黑体辐射。很多人都知道维恩位移公式^[2]——黑体电磁辐射光谱辐射度的峰值波长与自身温度呈反比关系 ，其中b是常数。所以，从黑体辐射来看，温度越低，则颜色越偏红；反之，温度越高则越偏蓝。比如当纸张、木头燃烧时，其温度大约为1300 K^[3]，此时对应的颜色就是黄色；而燃烧殆尽后的灰烬，温度降低至大约900 K，此时对应的颜色就是暗红色的。

这时候就会有人认为，根据维恩位移公式，当温度更高时，火焰就会变成蓝色的了，因为蓝色火焰温度最高。但是这种想法是错误的！实际上，根据CIE1931色度图和普朗克轨迹^[4]，要达到10000 K以上的温度，黑体辐射颜色才是蓝色的。这在一些恒星上很容易达到，但是在日常生活中不可能实现的——比如温度最高之一的氧炔焰，温度也才3600 K左右^[3]。也就是说，一般我们见到的火焰的黑体辐射颜色，就应该全是黄色的。所以，我们必须来讨论第二种发光机理——电子辐射跃迁。

电子辐射跃迁

当一些分子、原子或者自由基受激发后，其中的电子会跃迁到较高的不稳定能级；随后电子回到基态并释放一定频率的光子。这类发光机理在实验室中的一种应用就是焰色反应——大多数金属原子的发光都在可见光区域，并且都有自己的特征颜色，因此可以利用灼烧样品观察颜色来判断该样品中是否存在某种金属离子。Ca是砖红色，Cu是绿色，K是紫色，Li是洋红色，Na是金黄色，Ba是黄绿色^[5]——利用这种性质，可以来制作五颜六色的焰火。

而当本生灯燃料燃烧时，或者前面提到的氧炔焰燃烧时，显然其中不会含有金属离子，可是为什么也是蓝色的呢？本生灯中的燃料成分是天然气（主要是甲烷）或者液化石油气（丙烷、丁烷等）^[6]，而氧炔焰的燃料则是乙炔——这些燃料它们有一个共同点：它们都含有碳元素。在燃烧的过程中，会发生很多自由基反应，而这些含碳燃料则会生成很多含碳的自由基——比如CH或者C2^[3]。而这些自由基的发射光谱就是在蓝光和绿光区域^[7]，因此总体呈现蓝色。

这两种发光机理的讨论

那么在实际的燃烧过程中，颜色是由哪种机理所决定的呢？

第一种机理——黑体辐射——在有固态物质时会更加明显；而第二种机理，则在气态或者等离子体态时更加明显。下面让我来具体分析：

比如说对于蜡烛（成分主要是石蜡），在燃烧时，其底部是气化的烃类化合物燃烧，此时主要是气态，那么主要是第二种机理，因此呈现蓝色；随后因为燃烧不够充分，会产生煤烟（soot）——这些固体小颗粒逐渐上升并继续燃烧，而此时第一种机理占主导——煤烟由于黑体辐射而发出黄色的光，因而上部火焰呈黄色。

而本生灯利用低分子量烷烃燃烧，在空气充分的情况下很容易充分燃烧而不产生煤烟——因此充分燃烧时火焰仅呈现自由基发射光谱所表达的蓝色；而在空气不充分时，依然会产生煤烟，这也是为什么会呈现黄色。

氢气火焰颜色

看到这里，有些机智的朋友们可能会问，那么如果一种不含有碳且不会产生煤烟的燃料，比如氢气，燃烧时会是什么颜色的呢？实际上，很长的一段时间内，氢气火焰都被认为是无色透明的。后来科学家们发现实际上氢气火焰是呈极淡的蓝色的^[8]——淡到正常情况下你就会觉得是无色的火焰。

参考

1. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%91%E4%BD%93%E8%BE%90%E5%B0%84
2. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%B4%E6%81%A9%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E5%AE%9A%E5%BE%8B
3. ^ ^{a b c} https://en.wikipedia.org/wiki/Flame
4. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Planckian_locus
5. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%84%B0%E8%89%B2%E5%8F%8D%E5%BA%94
6. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Bunsen_burner
7. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Swan_band
8. ^Visible emission of hydrogen flames, Combustion and Flame Volume 156, Issue 6, June 2009, Pages 1234-1241 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010218009000170