总会用到火，先来认识火

图片：Andrii Zymohliad / CC BY-SA

火焰是什么颜色的？

刘舆帅

回答这个问题前，我们首先要明白什么是火焰。

以恰好完全反应的绝热的预混 (premixed) 甲烷 (methane)- 空气 (air) 对冲火焰 (counterflow flame) 为例,若为特殊说明，本答里的图就是这种火焰里量测或者模拟的结果。火焰和燃烧器的简图如下：

from Google

这幅图可以清楚地看到燃烧时流场情况：

from Google

火焰本质上是一种化学反应，我们见到的火焰，大多是在流体中的，所以对燃烧的研究可以从两点出发，一个是化学反应过程，一个是流场。当混合好的甲烷空气混合物在上图的燃烧器上下喷口出来时，他们的流速会逐渐减小，直到在中间点变成 0，在流场中，给一个火花，那么火焰就会被引燃，假设反应过程是一步的：CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O，在火焰上游，甲烷和空气不断供应过来，在火焰下游，燃烧产生的产物在不断流走，假设上面的化学反应每秒消耗一个单位的混合气体，刚刚提到，从喷口到流场中间，速度不断减小，那么就会有一个地方的流速，使其提供的甲烷和空气与消耗的平衡，那么这个地方就是火焰存在的地方，也是第一张图里的 reaction zone。在这种燃烧器里，上喷口和下喷口都会产生一个火焰,火焰的厚度根据喷口速度，喷口距离，压力等不同，大气压下，大约是几毫米的量级。火焰的本质，是一小块正在进行化学反应的区域，或者说是一个薄层。

下面说说我们看到的火焰。看，只是一种观测，你看到的东西，是人眼的可视范围内，火焰发出的光。

可见光范围：

紫色 668–789 THz 380–450 nm

蓝色 631–668 THz 450–475 nm

青色 606–630 THz 476–495 nm

绿色 526–606 THz 495–570 nm

黄色 508–526 THz 570–590 nm

橙色 484–508 THz 590–620 nm

红色 400–484 THz 620–750 nm

火焰发出的光有三种，第一是化学反应过程中的化学发光；第二是高温下黑体辐射；第三是火焰吸收其他的光发出的荧光。上一段，我们假设了甲烷燃烧只有一个步骤的化学反应，然而，甲烷燃烧中的化学反应，常用的比较准确的一套反应 GRI-MECH 3.0 有 300 多个反应步骤，并且还不包括我们感兴趣的火焰发光的部分。下图展示了甲烷如何变 CO₂ 和 H₂O 的过程，可以体现反应过程的复杂程度。

CH₄-CO₂

CH₄-H₂O

上面两个图展示了反应过程的复杂，并且，包含了下面谈发光问题的几个主角：OH,OH(S),CH,CH(S) 这几个中间产物，以及没有包含的 C2，C2(S)。

化学发光：

化学发光研究较多的是上述中 OH(S),CH(S),C2(S)，因为他们能提供很多燃烧的信息。下图标注了上述三种物质化学发光的波长。化学发光基本决定的火焰的看起来 ed 颜色。

一般来说，OH(S) 发光是不可见的，为紫外光，我们生活中看燃气灶的火焰是蓝紫色的，主要是 CH(S) 的功劳，因为在燃气灶里，空气多于燃料，故 C2(S) 的辐射很低。但是在燃烧状况不好的时候，比如燃气灶风门调的不好的时候，火焰有时候会变成蓝绿色，甚至黄色，那么就是 C2(S) 的发光强烈。所以至少从经验上，火焰的化学发光可以展示空气 - 燃料的比例。

必须指出的是化学发光的过程是在化学反应中，产生了激发态的 OH(S) 等，激发态分子落回基态时，由于电子能量不同，发出来不同波长的光。一个典型的 OH(S),CH(S),C2(S) 产生的化学反应如下：

A Numerical Study on the Relation of OH*, CH*, and C2* Chemiluminescence and Heat Release in Premixed Methane Flames (PDF Download Available)

当然，火焰中的化学发光，仍然有很多其他物质，这里不一一列举。

黑体辐射：

黑体辐射是在所有波长上连续存在的，受温度影响很大，这里着重强调的是 C 的白炽。当燃烧时空气少燃料多时，就会有碳单质结成颗粒，这种颗粒在高温下就会产生进入白炽状态，产生白炽光。比如蜡烛的尖端火焰，是黄色的，木炭是暗红色的，燃烧木头是橙色的，这些都是碳颗粒（块）的白炽光。这种情况在生活中燃烧固态燃料时比较常见。这些碳颗粒是不透明的，光照射上会产生吸收和散射，具体效果请在雾霾天看太阳。

荧光：

这里谈火焰是否吸收光。火焰燃烧中的很多中间产物是吸收光的，上面的 OH,CH 都会吸收特定波长的光，变成激发态的 OH(S),CH(S)，这里才是很多燃烧答案里的“等离子体受激发”，这些激发态的分子会发生降级，产生和化学发光相同波长的光。这种现象在生活中几乎见不到，在实验室里，可以用连续波长光源或者激光来诱导荧光，激光诱导荧光（LIF）是常用的激光燃烧诊断技术。所以火焰后面放探照灯，是能量测出光的变化的。

很多类似问题下，很多人说火焰是等离子体，这个东西是很暧昧的，在本文论述的燃烧情况下，上下喷嘴处加高电压，会产生很微弱的电流，如下图，OH(S) 的位置也会变化。