每年都放的烟花，是如何玩出这么多花样的？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-01-29 12:05

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正月初一啦，大家过年好呀！生盆火烈轰鸣竹，守岁筳开听颂椒。昨天除夕大家有没有看到烟花呀？在我的家乡，每年的除夕、初一家家户户都会放烟花，小小的村庄里上演着一场盛大的烟花秀。大家都拿出自己压箱货，暗自较劲，展示自家的烟花有多漂亮。小小的我当时坐在院子里思考，为什么烟花有各种各样的颜色和图案？还可以在天空连续绽放成满天星和坠落流星？

图源：我自己

烟花的故事可以追溯到汉朝时期。当时的人们发现，将竹子扔进火中，竹子受热膨胀而爆裂，发出劈里啪啦的响声，这便是最初的爆竹，他的目的主要是为了驱邪辟鬼。到了隋唐时期，炼丹术的发展为火药的发明奠定了基础，而火药的出现，给烟花带来了质的飞跃。

北宋时期，火药技术逐渐成熟，民间开始出现用卷纸包裹火药的燃放物，这便是早期烟花的雏形。北宋末年，人们在火药中加入不同的金属粉，燃烧时产生五彩斑斓的火花，极大的丰富了烟花的色彩。

元明清时期，烟花迎来了鼎盛发展，制作工艺更加精湛，品类愈发丰富，比如：“日月合璧”、“二仙传道”、“线穿牡丹”、“水浇莲”等，那么烟花到底是如何构成？又是怎么绽放出不同的形状和颜色的呢？

烟花主要由火药、氧化剂、燃料、着色剂以及其他添加剂构成。火药作为烟花的核心能量源，通常是由硝酸钾、硫磺和木炭按照一硫二硝三碳比例混合制做。火药被点燃是所释放出的大量热和气体，产生强大的爆炸力，为烟花升空和绽放提供了最初的动力源泉。

氧化剂则是烟花的助推剂，常见的有硝酸钾、氯酸钾等。氧化剂能够为火药燃烧提供足够的氧气，使得燃料能够尽情燃烧。燃料中的木炭、铝粉和镁粉等在氧化剂提供的氧气环境中，释放出大量能量。不同燃料的种类和配比直接影响烟花的燃烧速度和效果，会让烟花呈现出或迅猛热烈、或柔和持久的独特风格。

着色剂是决定烟花颜色的奥秘。常见的着色剂为各种金属盐，它是利用了金属元素燃烧时发生的焰色反应，焰色反应是碱金属、碱土金属具有的一种特殊的性质。当金属在火焰上被灼烧时，金属元素中的电子吸收能量，跃迁至不稳定的高能级，随后自发跃迁回低能级，释放不同能量的光子，也就是不同波长的光。由于每种元素的原子都有其特定的电子排布，所以电子跃迁会产生对应的特征光谱，构成原子发射光谱。比如锶盐燃烧发出红光、铜盐燃烧发出蓝色、钠盐燃烧产生黄色。这种特性让烟花的观赏性得到了极大的提升。

为了让烟花的效果更好，还会添加粘合剂、稳定剂和助燃剂。粘合剂可以将各种粉末状的化合物连接在一起，形成大小均匀的星体，确保烟花在制作和燃放过程中保持稳定的结构。稳定剂可以维持烟花的化学稳定性，防止其在储存和运输过程中意外反应。助燃剂可以进一步提高燃烧效率，让烟花的光芒更加耀眼夺目。

烟花的燃放由一根引线引发，它将火焰传递至烟花内部的发射火药(黑火药)部分。里面的硫磺率先在112.8摄氏度融化，之后硫磺和硝酸钾和木炭充分接触。这一过程的反应化学式为：2KNO₃+S+3C=K₂S+N₂↑+3CO₂↑，可以清晰的看到，同时有氮气和二氧化碳气体的产生，同时释放出大量的热。在封闭的空间中气体受热会急剧膨胀，对烟花产生强大的推力，内部产生的化学能转换为机械能，带动烟花克服重力势能和空气阻力冲向天空。

在烟花上升过程中，我们常常能听见尖锐的哨声或“咻咻”声，这是因为烟花添加了特殊的燃烧物——笛音剂。笛音剂通常由氧化剂（如高氯酸钾、氯酸钾）和苯的衍生物等组成，它们在燃烧时会发生脉动燃烧现象。脉动燃烧是一种特殊的不稳定燃烧过程，燃烧区的温度、压力、气流速度等参数会随时间周期性波动，从而引起空气的每秒上千次的激烈震荡，释放出高频声波，形成了我们听到的独特声音。

当烟花上升到预定的高度，燃烧的引信抵达烟花内部的爆炸药部分。爆炸药被点燃后，发生剧烈的爆炸反应，这一爆炸瞬间产生极高的温度，通常可达 2000℃ - 3000℃ 。在如此高温的环境下，烟花内部的燃料和着色剂开始发挥神奇的作用。燃料中的镁粉在高温下与氧气充分接触，发出耀眼的白光；着色剂则是发出其他的色彩给白光增色。

烟花绽放时还涉及到气动效应和发烟效应等。气动效应使得一些烟花绽放时呈现出 “钢花四射”“彩轮飞舞” 等喷射效果。某些药剂燃烧后产生大量的气体，这些气体能使纸制品旋转、升到空中，或连续喷出彩星，或连续射出烟花部件。而发烟效应则让一些烟花在燃放时产生烟雾效果，在含有氧化剂、可燃剂和有机染料的烟花药剂中，燃烧时氧化剂和可燃剂反应放出热量，使有机染料直接升华成蒸气，并在大气中冷凝成为有色烟。例如，加入酞青蓝可获得蓝色烟，加入烟雾红可获得红色烟。

至此我们就将烟花的内部材料组成解释清楚了，接下来就是外部结构。将烟花切开之后看侧刨面可以看到，最外面的一层是烟花外壳，然后最下面的线就是引线。一般烟花弹是放在一个封闭的纸质或者塑料外壳里，里面填充火药。引线燃烧之后会先点燃外面的填充发射火药，使得烟花飘升到一定的高度再爆炸。蓝色的小球就是由金属盐制作的星体，能够让烟花发出不同的颜色。里面的爆炸药能够使烟花弹爆炸并将小球发射出去。就是我们看见的烟花了。

决定烟花形状的三个重要因素分别为：炮弹里火药类型、装药方式和星体(也被称为光剂颗粒)。炮弹里的装药可以是简单的火药，也可以是更复杂的炸药，装药方式可以是简单的一级装药（在空中爆炸一次）也可以是多级装药（在空中爆炸多次）。另一方面，炮弹里的星体在爆炸后可以向各个方向发散，产生更为壮观的美丽景象。最简单的就是内部只有一层星体的烟花。此外还可以在里面加入延时层做成双层结构，像图中放入两种不同的星体，炸出来就是两种颜色也就是双色花。再不停地叠加，甚至能做到八重烟花，当大内筒球包住小内筒球会出现大花中开小花。

而星体的发射方向和模式取决于烟花的组合方式，每一级的火药爆炸都可以把星体推到事先设计的模式或方向上。而每个星体内部还装有火药，为其提供推力，例如使单个星体旋转、上升或向任意方向推进，这些星体也是烟火中绚丽的光和颜色的来源。例如圆形排列的颗粒爆炸时会形成完美的圆圈，而特殊的排列可以形成心形、笑脸等复杂图案。能放出字的烟花叫做造型烟花，用线形冷烟花组成图形后进行燃放。通过调整烟花发射的高度、相互间距离，用点阵的方式组的图形。例如：奥运烟花笑脸、脚印。

并且烟花也不是只有球形这一种，它有三种基本的类型，圆柱形外壳、球形外壳以及双引线外壳。不同的外壳也会让烟花释放的效果有所不同。

烟花的三种基本类型

喷花类烟花是最常见的类型，通常成圆筒形，有明显的喷口，其外壳多为纸制或塑料制。当点燃时，火药燃烧产生的气体，会将烟花药剂从喷口喷射出来，形成绚丽多彩的火花喷泉。有的如 “彩色喷泉”，持续喷射出五彩斑斓的火花；有的多层结构的喷花烟花，能依次喷射出不同高度和颜色的火花。升空类烟花以火箭烟花为典型代表，它底部装有强大的推进装置，当点燃后，借助火药燃烧产生的反作用力升到天空，小型的能升空几十米，大型的甚至可达数百米。在到达一定高度后，绽放出各色的图案。旋转升空类烟花巧妙地融合了旋转和升空的特点，在升空过程中，一边快速上升，一边高速旋转，随后在空中绽放，给人带来双重惊喜。

喷花类

升空类

旋转类

以火箭烟花为例，它的结构也经过了多代改进，才形成了现有的规格。下图中展示的都是有杆火箭，(a)、(b)结构为直筒形。这种结构没有效果筒，是发射筒外滚纸或套外筒，在筒内装火药辅以红油蜡纸封口。前者结构的炸药粉末容易从上升筒边落下来，后者就是在(a)基础上加塑料锥形帽子防止漏药；(c)和(d)都是外带效果筒力求逼真，并且这种火箭的爆炸范围大，形状圆且可以做成各式各样的效果如：椰子类、牡丹类；(e)的优势在于顶部为礼花弹，可以装填多弹，缺点是不能过重否则会出现倒垂，发生火险；(f)(g)均为多级火箭，炸开时更有层次感；最后的(h)是喷花火箭型，突破了火箭只有空中效果的缺陷，它在地面有喷泉、喷花效果，高空中尾部会拖出一个闪烁的尾巴，效果逼真。

都已经讲了大型烟花了，那仙女棒这种手持烟花又是如何制作的呢？仙女棒主要的燃烧材料是硼酸和硝酸钡。后者可以促进仙女棒的燃烧效果，前者只是起到中和作用，将它们混合之后再加水和玉米淀粉，搅拌均匀。随后倒入铁屑使得混合物呈金黄色，最后工作人员在防护服的保护下，将铝粉倒入其中，因为铝粉是仙女棒中最具爆炸性的材料。等这些湿料混合好后，将钢丝沉入涂料箱让其表面都涂抹上燃烧物，多次下沉并烘烤，至浆料完全变硬，仙女棒就制作完成了。这么看的话，仙女棒就是最简单的烟花了，它甚至不需要外壳就能够直接燃放。不过虽然它制作很简单，但是其中的铝粉还是会释放大量的热，所以各位小朋友们一定要注意安全哦！