Lửa có màu vì hai cách phát sáng khác nhau chồng lên nhau. Ánh vàng, cam, đỏ là của hạt muội than nóng rực — vật càng nóng thì ánh càng ngả từ đỏ sang vàng rồi trắng. Ánh xanh ở đáy ngọn lửa và màu đỏ, xanh lá, xanh dương của pháo hoa là ánh sáng của nguyên tử, phân tử bị kích thích, mỗi loại chỉ phát ra vài màu riêng như một dấu vân tay.
Thấy nó ở đâu
Trong một căn bếp Việt có đủ cả bảng màu. Bếp ga cháy xanh, đều và gọn. Bếp củi, bếp rơm cháy vàng cam, liếm đen đáy nồi. Nồi canh trào xuống mặt bếp ga thì lửa bỗng loé vàng cam rực một lúc. Than tổ ong đã bén có thể có một lớp lửa xanh nhạt lờ mờ bên trên. Đêm giao thừa, pháo hoa trên trời có đỏ thắm, xanh lá, tím, những màu mà không đống lửa nào cho ra được.
Những màu ấy không ngẫu nhiên. Mỗi màu cho biết một điều về ngọn lửa: nó cháy đủ không khí hay thiếu, nóng cỡ nào, và trong đó có những nguyên tố gì.
Cách phát sáng thứ nhất: vật nóng rực
Mọi vật đều phát bức xạ nhiệt. Ở nhiệt độ phòng, bức xạ ấy là tia hồng ngoại, mắt không thấy. Nung nóng lên, vật bắt đầu đỏ lờ mờ ở khoảng 500–550 °C — thợ rèn gọi là "đỏ thẫm". Nóng nữa thì đỏ tươi, rồi cam, vàng, và trên khoảng 1.300 °C trông gần như trắng. Dây tóc bóng đèn sợi đốt, thanh sắt trong lò rèn, viên than hồng đều sáng theo cách này. Màu chỉ phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ, không phụ thuộc vật làm bằng gì.
Trong ngọn lửa nến, củi, rơm, phần sáng vàng chính là muội: hàng tỉ hạt cacbon nhỏ hơn một phần nghìn milimét, sinh ra khi nhiên liệu bị nung nóng mà chưa gặp đủ ôxi. Chúng nóng khoảng 1.000–1.400 °C nên phát ánh vàng cam. Muội càng nhiều, lửa càng sáng và càng "đặc". Nếu muội không kịp cháy hết ở rìa ngọn lửa, nó đậu lên đáy nồi thành lớp nhọ đen — đáy nồi bếp củi đen là vì vậy.
Cách phát sáng thứ hai: nguyên tử nhảy bậc
Electron trong nguyên tử chỉ được ở những "bậc" năng lượng nhất định. Khi bị va chạm trong ngọn lửa hay nhận năng lượng từ phản ứng, electron nhảy lên bậc cao; lúc rơi về, nó nhả ra một hạt ánh sáng có năng lượng đúng bằng khoảng cách hai bậc. Khoảng cách ấy cố định cho từng loại nguyên tử, nên màu ánh sáng cũng cố định. Đó là lý do mỗi nguyên tố có màu lửa riêng.
Ví dụ quen nhất là natri. Nguyên tử natri phát mạnh ánh vàng cam ở bước sóng khoảng 589 nanomét. Muối ăn là natri clorua, nên khi nước canh mặn trào xuống bếp ga, lửa xanh lập tức loé vàng cam. Đèn cao áp natri ngoài đường ngày trước cũng có đúng màu vàng cam ấy.
Đáy xanh của bếp ga và ngọn nến
Ánh xanh ở bếp ga không đến từ nguyên tố lạ nào. Trong phản ứng cháy, phân tử nhiên liệu bị bẻ thành những mảnh nhỏ chỉ tồn tại thoáng qua, như mảnh CH (một cacbon gắn một hiđro) và C₂ (hai cacbon). Các mảnh này sinh ra ở trạng thái bị kích thích và phát ánh xanh lam, xanh lục khi trở về trạng thái thường. Hiện tượng phát sáng trực tiếp từ phản ứng hoá học như vậy gọi là hoá phát quang.
Bếp ga trộn sẵn không khí với khí đốt trước khi đốt, nên nhiên liệu cháy gọn, gần như không có muội. Không có muội thì không có ánh vàng lấn át, và ta thấy được ánh xanh vốn mờ. Ngọn nến không trộn trước, chỉ ở chân ngọn lửa mới đủ không khí, nên chỉ chân ngọn lửa xanh.
Bảng màu lửa và ý nghĩa
| Màu thấy | Gặp ở đâu | Nguồn gốc ánh sáng | Nói lên điều gì |
|---|---|---|---|
| Xanh lam trong, đều | Bếp ga chỉnh đúng | Mảnh phân tử CH, C₂ bị kích thích | Đủ không khí, cháy gọn, ít muội |
| Vàng cam, có khói | Nến, củi, rơm, bếp ga thiếu gió | Muội than nóng rực | Thiếu không khí, có muội, dễ nhọ nồi |
| Vàng cam loé lên | Canh mặn trào xuống bếp ga | Nguyên tử natri | Có muối natri lẫn vào lửa |
| Xanh nhạt lờ mờ trên than | Than tổ ong, than củi đang đượm | Khí CO cháy thành CO₂ | Có khí CO thoát ra — cần thông thoáng |
| Đỏ sẫm, không ngọn | Than hồng, đầu nhang | Chất rắn nóng rực | Cháy âm ỉ trên bề mặt, nhiệt độ thấp hơn ngọn lửa |
Màu pháo hoa từ đâu ra
Pháo hoa dùng đúng nguyên lý nguyên tử nhảy bậc. Người làm pháo cho vào thuốc những hợp chất kim loại mà khi nóng lên sẽ phát màu đặc trưng. Sách giáo khoa và các tài liệu hoá học phổ thông đều liệt kê những cặp quen thuộc: hợp chất stronti cho màu đỏ, bari cho xanh lá, đồng cho xanh dương, natri cho vàng, kali cho tím nhạt. Phép thử màu ngọn lửa trong phòng thí nghiệm hoá cũng dựa trên điều đó.
Cái khó là giữ màu cho sạch. Muội vàng của thuốc cháy dễ lấn mất màu tím, màu xanh. Màu xanh dương nổi tiếng khó làm vì chất phát màu xanh bị phân huỷ nếu lửa quá nóng, còn lửa nguội quá thì không đủ sáng. Đó là việc của nghề pháo hoa chuyên nghiệp với giấy phép và quy trình an toàn chặt chẽ.
Bài này chỉ giải thích vì sao có màu. Không tự làm pháo, không rắc hoá chất vào lửa để tạo màu: nhiều hợp chất kim loại độc khi hít khói, thuốc pháo tự pha có thể nổ bất ngờ, và tự sản xuất pháo nổ là vi phạm pháp luật ở Việt Nam.
Hiểu lầm thường gặp
- "Lửa xanh lúc nào cũng nóng hơn lửa vàng." Thường đúng với cùng một loại nhiên liệu: cháy đủ không khí thì nóng hơn và xanh. Nhưng màu xanh ở đây đến từ hoá phát quang, không phải vì "nóng tới mức xanh". Không thể nhìn màu ngọn lửa để đọc nhiệt độ như đọc nhiệt kế.
- "Sao xanh nóng hơn sao đỏ, vậy lửa cũng vậy." Với vật rắn nóng rực và các vì sao, màu đúng là theo nhiệt độ. Với lửa ga, màu xanh là màu của phân tử, chuyện khác hẳn.
- "Bếp ga cháy vàng là ga kém chất lượng." Thường là do lỗ trộn khí bị bụi, dầu mỡ bít, nồi đặt quá sát hoặc có gió lùa — thiếu không khí sinh muội. Cũng có thể do lửa bén vào bụi, vụn thức ăn có muối. Lửa vàng kéo dài kèm mùi lạ thì nên nhờ thợ kiểm tra bếp.
- "Lửa có màu tím, hồng là lửa ma." Gần như luôn là do có một chất lạ trong vật đang cháy, ví dụ gỗ tẩm hoá chất, giấy in màu, nhựa. Đừng hít khói ấy.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Chỉ quan sát ngọn lửa có sẵn trong nhà, làm cùng người lớn, không rắc thêm bất cứ thứ gì vào lửa.
- So bếp ga và ngọn nến. Tắt đèn bếp, nhìn kỹ ngọn lửa ga ở mức nhỏ: có nón xanh đậm bên trong và vỏ xanh nhạt bên ngoài. Đặt cạnh một ngọn nến: chỉ chân nến xanh. Ghi lại bạn thấy gì ở mỗi bên.
- Xem màu nhờ cách tử tự chế. Một chiếc đĩa CD hoặc DVD cũ có các rãnh nhỏ tách ánh sáng thành dải màu. Nghiêng đĩa để ánh lửa nến phản chiếu trên mặt đĩa: ánh nến cho một dải màu liền từ đỏ đến xanh — dấu hiệu của vật nóng rực. Làm tương tự với bóng đèn natri vàng ngoài đường (nếu nơi bạn còn) sẽ thấy gần như chỉ một vạch vàng.
- Đếm lần lửa loé vàng. Lần sau nấu canh, khi có giọt nước canh rơi xuống lửa ga, để ý ánh vàng cam loé lên. Đó là natri trong muối. Đừng cố tình đổ nước lên lửa ga — có thể làm tắt lửa mà ga vẫn xì.
- Chụp ảnh đúng màu. Điện thoại hay tự cân bằng trắng làm lửa ga trông tím. Chỉnh cân bằng trắng về "ánh nắng" hoặc khoá phơi sáng thấp để thấy màu gần với mắt nhìn.
Ngoài ra, nếu đi xem pháo hoa, hãy để ý: những chùm xanh dương thường ít và nhạt hơn đỏ, xanh lá — bây giờ bạn đã biết vì sao.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao lửa bếp ga màu xanh mà lửa củi màu vàng?
Bếp ga trộn không khí với khí đốt trước khi đốt nên cháy gọn, không sinh muội; ánh xanh là của các mảnh phân tử trong phản ứng cháy. Củi cháy thiếu không khí, sinh muội than, muội nóng rực phát ánh vàng cam lấn át màu xanh.
Lửa màu nào nóng nhất?
Với cùng một nhiên liệu, ngọn lửa xanh cháy đủ không khí thường nóng hơn ngọn lửa vàng nhiều muội. Nhưng không thể chỉ nhìn màu mà suy ra nhiệt độ, vì màu xanh của lửa ga đến từ phân tử phát sáng, không phải từ độ nóng. Riêng vật rắn nóng rực thì màu đúng là theo nhiệt độ: đỏ, cam, vàng, trắng.
Vì sao canh trào xuống bếp ga thì lửa chuyển màu vàng?
Nước canh có muối ăn, tức natri clorua. Nguyên tử natri trong lửa bị kích thích và phát ánh vàng cam rất mạnh ở bước sóng khoảng 589 nanomét. Chỉ một lượng rất nhỏ natri đã đủ nhuộm vàng ngọn lửa.
Pháo hoa tạo màu bằng cách nào?
Thuốc pháo có hợp chất kim loại; khi nóng lên, nguyên tử kim loại phát ánh sáng màu đặc trưng: stronti đỏ, bari xanh lá, đồng xanh dương, natri vàng. Pha chế pháo hoa là nghề chuyên môn có giấy phép, tự làm ở nhà nguy hiểm và trái luật.
Lửa bếp ga chuyển vàng có nguy hiểm không?
Lửa vàng là dấu hiệu cháy thiếu không khí, sinh muội và có thể sinh thêm khí CO. Thường do lỗ trộn khí bị bẩn hoặc gió lùa. Vệ sinh bếp, mở thoáng bếp; nếu vẫn vàng hoặc có mùi ga thì gọi thợ kiểm tra.
