Skąd się biorą barwy fajerwerków

1 stycznia 2023
Blog szalonych naukowców

Dzieci zwykle wyczekują na noworoczne oglądanie fajerwerków. Przynajmniej niektórzy dorośli mają ich już powoli dość. W wielkim mieście przez dwa dni wokół Nowego Roku co chwila gdzieś wybuchają i męczą. A te wspaniałe kolory? Już je widzieliśmy, są co roku te same. Właściwie czemu?

Kolory fajerwerków osiąga się w jeden z najprostszych sposobów. Dzięki zjawisku, które można spokojnie w bezpiecznych warunkach zaobserwować w domu.

Swoje barwy sztuczne ognie zawdzięczają głownie obecnym w nich jonom metali. Weźmy zwykłą sól kuchenną, czyli chlorek sodu NaCl. Nawet w szkolnym laboratorium znajdziemy specjalne niewielkie łyżeczki do spalań, choć nie są niezbędne. Ogólnie chodzi o to, by umieścić niewielką ilość w miarę stężonego roztworu soli nad w miarę bezbarwnym płomieniem (w szkole zazwyczaj wykorzystywany jest palnik Bunsena). W przypadku soli kuchennej powinniśmy zobaczyć wyraźny żółty płomień. Skąd się bierze?

Pierwsza myśl: sól się pali – jest absolutnie błędna. Sód jest w niej obecny na +1 stopniu utlenienia, więc już się bardziej nie spali. Zredukowany do chlorku chlor też nie (nie otrzymujemy przecież żadnych nowych tlenków). Tu nie chodzi o reakcję chemiczną. Co się więc dzieje?

Atom sodu zbudowany jest z jądra (dodatnio naładowane protony i neutralne, czyli nienaładowane neutrony) i z obecnych wokół elektronów (naładowanych ujemnie, na tym poziomie rozważań możemy przyjąć bez problemu obrazek małej piłeczki okrążającej większą piłeczkę jądra; na wszelki wypadek związane z nim uproszczenia będą zapisywane kursywą). Wbrew standardowej fizyce elektron okrążający jądro nie traci energii. To jedno z założeń modelu atomu Bohra (dzięki któremu upowszechnił się obraz piłeczek). Kolejne mówi, że elektron może poruszać się tylko po określonych orbitach (niepotrzebna uwaga: promień takiej orbity wyprowadza się w liceum, zauważając, że siła elektrostatyczna między dodatnim jądrem a ujemnym elektronem jest zarazem siłą dośrodkową oraz przyjmując magiczne założenie Bohra, że iloczyn promienia, prędkości i masy elektronu stanowi wielokrotność pewnej stałej; wtedy wychodzi, że długość orbity równa jest wielokrotności przypisywanej elektronowi fali).

Każdej orbicie można przyporządkować określoną energię (wykorzystując wzory na energię potencjalną i kinetyczną, to również poziom liceum, szczegóły techniczne nie mają tutaj znaczenia). Jeśli dostarczymy energię do atomu, elektron może przeskoczyć na wyższą orbitę, cechującą się wyższą energią. Stan taki jest jednak nietrwały, wzbudzony w ten sposób elektron dość szybko powraca na poprzednią, niższą orbitę o mniejszej energii (istnieją dość trwałe wzbudzone stany metastabilne, ale zdarzają się rzadko).

Z zasady zachowania energii wynika, że nie może ona znikać, a jedynie zmienia formę. Opuszczający wyższą orbitę elektron nie ma wielu możliwości wyboru sposobu pozbycia się nadmiaru energii. Może po prostu wyemitować ją w formie energii świetlnej, pojedynczego fotonu. A biorąc pod uwagę stałą wartość energii przypisanych konkretnym powłokom, przeskok elektronu z wyższej powłoki na niższą wiązał się będzie zawsze z emisją fotonu o tej samej energii. Tak więc możemy wywołać przeskoki o jednej bądź kilku zadanych energiach. Energia fotonu zgodnie z założeniem Plancka z 1900 r. przekłada się w prosty sposób na jego częstotliwość i długość fali, a długość fali światła postrzegamy… tak, właśnie w postaci koloru.

O ile bardzo często długości fal odpowiadające danym przeskokom między orbitami leżą poza widmem światła widzialnego, o tyle w przypadku niektórych atomów otrzymuje się wyraźne, widzialne barwy. W ten sposób sód zabarwia płomień na żółto. Potas daje słabą, ledwo widoczną fioletową poświatę. Lit i stront – karminową (w sztucznych ogniach stosuje się stront). Wapń ceglaną (nieużywany w fajerwerkach), bar zieloną, miedź niebieskozieloną, cyna – niebieską.

Można w ten sposób zidentyfikować wchodzące w skład soli metale. Można też zrobić fajerwerki. A potem ten sód, stront czy bar widzimy na niebie. Co roku.

Marcin Nowak

Ilustracja: Semnoz, Fajerwerki nad jeziorem Annecy, za Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0