Màu của pháo hoa đến từ các nguyên tố kim loại được trộn sẵn trong thuốc. Khi bị đốt nóng, electron trong nguyên tử mỗi kim loại nhảy lên mức năng lượng cao hơn rồi rơi trở lại, nhả ra ánh sáng với một màu riêng như chữ ký: stronti cho màu đỏ, bari cho xanh lục, đồng cho xanh lam, natri cho màu vàng.
Chào bạn, đây là Nhà Hoá Học. Đêm giao thừa hay lễ hội pháo hoa ven sông, cả đám đông ồ lên mỗi khi một chùm màu mới nở. Tập này mình không nói chuyện làm pháo, chỉ nói vì sao ánh sáng lại có màu, một câu chuyện đã giúp loài người đọc được cả thành phần của những ngôi sao.
Electron nhảy bậc và nhả ra ánh sáng
Trong nguyên tử, electron không ở bất kỳ đâu cũng được. Chúng chỉ được nằm ở những mức năng lượng nhất định, giống như chỉ được đứng trên các bậc cầu thang, không được lơ lửng giữa hai bậc.
Khi nguyên tử nhận năng lượng, ví dụ bị đốt nóng, một electron có thể nhảy lên bậc cao hơn. Trạng thái đó không bền. Ngay sau đó, electron rơi về bậc thấp, và phần năng lượng chênh lệch được nhả ra dưới dạng một hạt ánh sáng.
Khoảng cách giữa các bậc quyết định năng lượng của hạt ánh sáng, và năng lượng quyết định màu. Chênh lệch nhỏ cho ánh sáng đỏ, chênh lệch lớn hơn cho xanh lục, xanh lam, tím.
Mỗi nguyên tố có một bộ cầu thang riêng, khoảng cách các bậc khác nhau, nên mỗi nguyên tố phát ra một bộ màu riêng. Các nhà khoa học gọi đó là phổ phát xạ, và nó đặc trưng đến mức được dùng như dấu vân tay để nhận diện nguyên tố.
Mỗi kim loại một màu
Natri cho ánh sáng vàng cam rất mạnh. Bạn có thể thấy nó khi rắc chút muối ăn vào ngọn lửa bếp gas, ngọn lửa xanh lập tức loé vàng. Đèn đường kiểu cũ ánh vàng cam ở nhiều thành phố cũng dùng hơi natri.
Stronti và liti cho màu đỏ. Canxi cho màu cam. Bari cho màu xanh lục. Đồng cho màu xanh lam hoặc xanh lục tuỳ hợp chất. Màu tím thường được tạo bằng cách trộn nguồn đỏ và nguồn xanh lam.
Học sinh hoá học ở nhiều nơi được thấy điều này qua thí nghiệm thử màu ngọn lửa trong phòng thí nghiệm, dưới sự hướng dẫn của giáo viên: nhúng một sợi dây kim loại sạch vào dung dịch muối rồi hơ trên ngọn đèn, mỗi muối cho một màu.
Còn màu trắng bạc chói loá của pháo hoa thường đến từ kim loại như magiê, nhôm cháy ở nhiệt độ rất cao. Đó là ánh sáng của vật nóng sáng, không phải của một nguyên tố riêng, nên nó chứa gần đủ mọi màu và trông trắng.
Vì sao màu xanh lam khó làm nhất?
Giờ mình nói sang một bí mật của nghề pháo hoa mà các chuyên gia hay nhắc tới. Đỏ, xanh lục, vàng tương đối dễ làm rực rỡ. Còn xanh lam đậm, tươi là màu khó nhất.
Hợp chất của đồng tạo ra ánh xanh lam chỉ bền trong một khoảng nhiệt độ hẹp. Nóng quá thì nó bị phân huỷ, màu chuyển sang trắng nhợt. Nguội quá thì không đủ sáng. Người làm pháo hoa chuyên nghiệp phải cân chỉnh công thức rất tinh để giữ ngọn lửa ở đúng khoảng đó.
Màu vàng của natri thì ngược lại, mạnh đến mức trở thành kẻ phá đám. Chỉ một chút tạp chất natri lẫn trong nguyên liệu là đủ làm các màu khác bị ám vàng, đỏ thành cam, xanh lam thành xanh nhạt. Vì thế nguyên liệu cho pháo hoa chất lượng cao phải rất tinh khiết.
Lần tới xem pháo hoa, bạn thử để ý: những chùm xanh lam thuần, đậm thường ít và được dành cho khoảnh khắc đặc biệt. Đó là màu đắt giá nhất trên bầu trời.
Từ ngọn lửa đến những ngôi sao
Câu chuyện màu của ngọn lửa có một hệ quả lớn lao. Giữa thế kỷ mười chín, hai nhà khoa học Đức Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff dùng lăng kính tách ánh sáng của ngọn lửa thành các vạch màu, rồi nhận ra mỗi nguyên tố có một bộ vạch không thể nhầm lẫn.
Chỉ bằng cách nhìn ánh sáng, họ phát hiện ra hai nguyên tố mới chưa ai biết, xesi và rubiđi, đặt tên theo màu vạch phổ của chúng. Một nguyên tố được tìm ra mà không cần cân hay tách được nó ra.
Rồi người ta chĩa kính quang phổ lên Mặt Trời và các vì sao. Các vạch phổ trong ánh sáng Mặt Trời khớp với natri, sắt, hiđrô, cho thấy Mặt Trời làm từ cùng những nguyên tố có trên Trái Đất. Thậm chí có một vạch vàng lạ không khớp nguyên tố nào, và đó là cách heli được phát hiện trên Mặt Trời trước khi được tìm thấy trên Trái Đất.
Những màu sắc làm ta trầm trồ đêm giao thừa cũng chính là ngôn ngữ mà các nhà thiên văn dùng để đọc thành phần của những thiên hà xa xôi.
Xem pháo hoa an toàn
Pháo hoa là một hỗn hợp chất cháy, chất ôxy hoá và muối kim loại được thiết kế để cháy rất nhanh. Đó là lý do việc sản xuất, tàng trữ và sử dụng pháo hoa được quản lý chặt chẽ theo quy định pháp luật, và các màn bắn pháo hoa lớn do những đơn vị được cấp phép thực hiện.
Tự chế pháo hay mua pháo không rõ nguồn gốc là rất nguy hiểm, mỗi mùa Tết vẫn có những ca bỏng, cụt ngón tay, tổn thương mắt, phần nhiều ở thanh thiếu niên. Nếu cần, hãy chỉ dùng loại được pháp luật cho phép và làm đúng hướng dẫn.
Khói pháo hoa cũng là bụi mịn chứa các hạt kim loại. Sau những đêm bắn pháo hoa lớn, chỉ số bụi mịn ở một số thành phố tăng vọt trong vài giờ. Người có bệnh hô hấp nên xem từ xa, đứng ở đầu gió.
Lần tới ngắm pháo hoa trên sông, bạn có thể nhìn mỗi chùm màu như một lời nói của nguyên tố: đỏ là stronti đang nói, xanh lục là bari, và chùm xanh lam hiếm hoi kia là đồng đang được chiều chuộng ở đúng nhiệt độ của nó.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao ngọn lửa bếp gas màu xanh mà lửa nến màu vàng?
Lửa gas cháy đủ ôxy, ánh xanh đến từ các phân tử nhỏ bị kích thích trong ngọn lửa. Lửa nến cháy thiếu ôxy hơn, có nhiều hạt muội than nhỏ bị nung nóng sáng nên phát ánh vàng cam.
Đèn neon có màu theo nguyên lý giống pháo hoa không?
Giống ở chỗ đều là electron bị kích thích rồi nhả ánh sáng có màu đặc trưng. Đèn neon thật dùng dòng điện thay vì nhiệt, và khí neon cho màu đỏ cam.
Pháo hoa không khói có thật sự không khói không?
Một số loại được làm để giảm khói nhìn thấy, nhưng vẫn sinh ra khí và hạt. Thông tin cụ thể phụ thuộc từng sản phẩm.
Vì sao rắc muối vào lửa lại loé vàng?
Vì muối ăn chứa natri, mà natri phát ánh sáng vàng cam rất mạnh khi bị nung nóng. Chỉ một lượng nhỏ đã đủ nhuộm màu cả ngọn lửa.
Cực quang có màu theo cách giống pháo hoa không?
Có điểm giống. Hạt mang điện từ Mặt Trời va vào khí trên cao, kích thích nguyên tử ôxy và nitơ, chúng nhả ánh sáng xanh lục, đỏ, tím đặc trưng.
