I USA: s tidigaste dagar skrev John Adams till sin fru Abigail om firandet av självständighet, "Det borde vara högtidligt med Pomp och Parade, med Shews, Games, Sports, Guns, Bells, Bonfires and Illuminations from one End av denna kontinent till den andra från denna tid framåt för evigt mer. " "Branden och belysningar" hänvisar direkt till det vi känner som pyroteknik och fyrverkerier.
Jag är kemist och även ordförande för Pyrotechnics Guild International, en organisation som främjar säker användning av fyrverkerier och använder dem här i USA för att fira självständighetsdagen och andra festivaler under hela året. Som kemist och någon som leder demonstrationer för kemistudenter anser jag att fyrverkerier är ett bra exempel på förbränningsreaktioner som producerar färgad eld. Men uppfinningen av färgat fyrverkeri är relativt nyligen och inte alla färger är lätta att producera.
Fyrverkeriets tidiga historia
Smällare uppfanns först serendipitöst av kineserna i 200 f.Kr. Men det var inte förrän tusen år senare som kinesiska alkymister utvecklade fyrverkerier 800 A.D. Dessa tidiga fyrverkerier var mestadels ljusa och bullriga sammansättningar utformade för att skrämma onda andar - inte de färgglada, kontrollerade explosionerna vi ser idag. Spola framåt ytterligare ett årtusende och italienarna räknade ut hur man kan lägga till färg genom att införa olika element i den brandfarliga blandningen. Att lägga till elementet strontium till en färgpyroteknisk blandning ger en röd flamma; koppar, blått; barium, grön; och natrium för gult.
För mycket eller för lite av kemikalierna gör betydande förändringar i temperaturen och därmed våglängden på färgen som ses. Rätt kemikalieblandning när den antänds producerar tillräckligt med energi för att väcka elektroner för att avge olika ljusfärger.
Även om kemin i dessa färger inte är ny, verkar varje generation bli upphetsad av färgerna som plaskade över himlen. Vi har nu ett brett utbud av lågan färger: röd, grön, blå, gul, lila och variationer av dessa.
Varje färg fungerar på samma sätt. När olika element antänds släpper de olika våglängder av ljus som översätts som olika färger.
Att göra det perfekta blå fyrverkeriet
Inte alla fyrverkerier är lika enkla att skapa. Jag tror att flera av mina kollegor inom pyroteknisk forskning och utveckling skulle hålla med mig om att blått är den svåraste färgen att producera.
Det beror på att kvällshimlen är en nyans av blått, vilket innebär att de flesta blues inte dyker upp också. Om du försöker göra det blå ljusare i kontrast till bakgrunden kan det se ut tvättat. Rätt balans av koppar och andra kemikalier i lågan eller förbränningsreaktionen ger den bästa blåfärgan i ett fyrverkeri.
Jag har tagit hänsyn till detta när jag försökte skapa den bästa blå flamfärgen, som jag kallar pillerask blå. Det är bara tillräckligt ljust för att sticka ut mot natthimlen men fortfarande en rik blå. Jag har över 20 blå pyrotekniska formler och jag har hittat en som kommer väldigt nära denna svårfärgade nyans.
En annan svårighet att skapa en intensiv blå färg är att kemin inte är enkel. Det kräver en kombination av flera kemikalier och elementet koppar. När koppar antänds, blir elektronerna som omger kopparatomerna upphetsade och spänna i lågan. När elektronerna släpper denna energi, ser det ut för observatörer som blått ljus. Varje färg fungerar på samma sätt. När olika element antänds släpper de olika våglängder av ljus som översätts som olika färger. Så när du ser blåfärgade prickar med ljus som skapar ett mönster på natthimlen, ser du verkligen upphetsade elektroner som släpper energi som blått ljus.
Paul E. Smith, föreläsningsdemonstrator för kemi, Purdue University
