Pháo hoa hoạt động như thế nào? Giải thích khoa học đằng sau những âm thanh và màu sắc rực rỡ

Bình luận Văn Thiện • 15:01, 22/01/22

Giúp NTDVN sửa lỗi

Đối với nhiều người trên thế giới, những khoảnh khắc đầu tiên của năm mới sẽ tràn ngập âm thanh và những màn trình diễn ánh sáng đầy màu sắc của pháo hoa. Từ tiếng nổ lớn đến tiếng rít dài, màu đỏ tươi đến xanh lam nhạt, có hàng nghìn biến thể của pháo hoa và có hẳn một chuyên ngành riêng trong môn hóa học để khám phá những vụ nổ vui nhộn này.

Có hàng trăm công thức hóa học để chế tạo pháo hoa. Tuy nhiên, những công thức này vẫn dựa trên một hỗn hợp hóa chất cổ xưa để tạo ra những vụ nổ quen thuộc với chúng ta.

Thuốc nổ đen là thành phần chính của tất cả các loại pháo hoa. (Ảnh: Lord Mountbatten, CC BY-SA)
Thuốc nổ đen là thành phần chính của tất cả các loại pháo hoa. (Ảnh: Lord Mountbatten, CC BY-SA)

Tất cả đều bắt đầu với thuốc nổ đen

Thành phần đầu tiên của bất kỳ loại pháo hoa nào là thuốc nổ đen cổ đại. Nó được phát minh bởi các nhà giả kim thuật Trung Quốc hơn một nghìn năm trước, và công thức của nó hầu như không thay đổi trong nhiều thế kỷ kể từ đó. Để tạo ra thứ chất bột màu đen này, tất cả những gì bạn cần làm là trộn 75% kali nitrat, 15% than củi và 10% lưu huỳnh. Sau đó, nếu muốn làm một quả pháo hoa, thì về cơ bản, bạn chỉ cần cho hỗn hợp bột này vào một hộp đựng, thường làm bằng bìa cứng hoặc giấy dày.

Công thức làm thuốc nổ đen lâu đời nhất là từ năm 1044 sau Công nguyên của Trung Quốc. (Ảnh: PericlesofAthens/WikimediaCommons)
Công thức làm thuốc nổ đen lâu đời nhất là từ năm 1044 sau Công nguyên của Trung Quốc. (Ảnh: PericlesofAthens/WikimediaCommons)

Thuốc nổ đen được sử dụng để phóng pháo hoa lên không trung cũng như đốt cháy và tạo ra các hiệu ứng như màu sắc và âm thanh cho vụ nổ. Vì vậy, nó hoạt động như thế nào?

Sau khi đốt bằng tia lửa, lưu huỳnh tan chảy đầu tiên ở 235 F (112,8 C). Sau đó, lưu huỳnh lỏng chảy vào kali nitrat và than củi, rồi bốc cháy. Phản ứng đốt cháy này nhanh chóng tạo ra một lượng lớn năng lượng và khí - nói cách khác là một vụ nổ. Nếu có một lỗ nhỏ để khí thoát ra, phản ứng sẽ phóng pháo hoa lên không trung; và trong một không gian rất chật hẹp, nó làm nổ tung pháo hoa thành từng mảnh và đốt cháy mọi thứ xung quanh.

Ngoài ra, để thay đổi tốc độ cháy của thuốc nổ đen, chúng ta có thể thay đổi kích thước của các hạt bột. Hãy nghĩ về một buổi đốt lửa trại. Khi bạn thêm một cành củi lớn vào đống lửa, ngọn lửa sẽ cháy lâu hơn và chậm hơn. Nếu bạn ném một nắm mùn cưa vào ngọn lửa, nó sẽ cháy rất nhanh và nóng. Thuốc nổ đen hoạt động tương tự, và điều này giúp bạn dễ dàng kiểm soát mức độ và tốc độ giải phóng năng lượng.

Thêm các nguyên tố khác nhau vào hỗn hợp có thể tạo ra pháo hoa có màu sắc khác nhau. (Ảnh: Dennis Wong/WikimediaCommons , CC BY)
Thêm các nguyên tố khác nhau vào hỗn hợp có thể tạo ra pháo hoa có màu sắc khác nhau. (Ảnh: Dennis Wong/WikimediaCommons , CC BY)

Các hóa chất khác nhau cho các màu khác nhau

Nếu bạn đặt hỗn hợp bột màu đen rất mịn trong một không gian hạn chế, nó sẽ phát nổ tạo thành một đám mây nhiệt, khí và tiếng ồn. Vậy màu sắc và ánh sáng rực rỡ do đâu mà có?

Khi làm nóng bất kỳ vật liệu nào, điều bạn thực sự đang làm là truyền năng lượng vào các electron của nguyên tử vật liệu đó. Nếu bạn truyền đủ năng lượng để các electron nhảy lên mức năng lượng kích thích, thì khi chúng giảm trở lại mức năng lượng bình thường, chúng sẽ giải phóng năng lượng dư thừa đó dưới dạng ánh sáng.

Có một số nguyên tố khác nhau, khi được thêm vào pháo hoa và đốt nóng, sẽ giải phóng các bước sóng ánh sáng khác nhau xuất hiện dưới dạng các màu sắc khác nhau. Chẳng hạn stronti tạo màu đỏ, bari tạo ra màu xanh lục, đồng màu xanh lam,...

Việc chế tạo pháo hoa tạo ra màu xanh lam từ lâu đã là một thách thức đối với các nhà hóa học pháo hoa. Màu xanh lam đậm sẽ quá tối và không thể nhìn thấy trên bầu trời đêm. Nhưng nếu màu xanh lam quá nhạt, nó sẽ có màu trắng. Vì vậy, để pháo hoa tạo ra bước sóng của “màu xanh lam hoàn hảo”, thì hỗn hợp thuốc nổ phải rất chính xác. Điều này khó đạt được vì ánh sáng xanh lam có bước sóng ngắn hơn - nghĩa là khoảng cách giữa các đỉnh của sóng ánh sáng rất gần nhau.

Một số nguyên tố khác nhau tạo ra các màu sắc khác nhau, thế còn sự lấp lánh và nhấp nháy thì sao? Để tạo ra những hiệu ứng này, các kim loại khác nhau có thể được thêm vào các công thức của pháo hoa. Nhôm, magiê và titan đều tạo ra tia lửa trắng. Bằng cách thêm sắt, bạn sẽ có được những tia lửa vàng. Trộn nhiều loại than có thể tạo ra tia lửa màu đỏ và cam. Mỗi phần tử này cháy ở một tốc độ khác nhau và theo một cách khác nhau, do đó tạo ra các màu sắc và cường độ ánh sáng khác nhau.

Các công thức đặc biệt tạo ra pháo hoa hình dạng giống tên lửa và hiệu ứng âm thanh như tiếng rít dài.

Phát ra tiếng rít dài hoặc tiếng nổ

Phần cuối cùng của một màn pháo hoa thành công phải bao gồm hiệu ứng âm thanh thú vị.

Để thêm hiệu ứng âm thanh cho pháo hoa, bạn cần một công thức nổ giải phóng một lượng lớn khí rất nhanh. Nếu pháo hoa có một lỗ nhỏ để khí thoát ra ngoài thì vụ nổ sẽ tạo ra những tiếng rít. Vận tốc của khí và kích thước của lỗ nhỏ này sẽ thay đổi cao độ và âm thanh của tiếng rít.

Công thức tạo tiếng nổ thông thường dễ dàng hơn nhiều. Đơn giản là bạn chỉ cần đặt thuốc nổ với một công thức tràn đầy năng lượng trong một không gian nhỏ hẹp không có khí đi qua. Khi bắt lửa, áp suất sẽ tăng lên và pháo hoa sẽ tạo ra một tiếng nổ bất ngờ.

Bây giờ, khi bạn xem pháo hoa vào đêm giao thừa hoặc phóng một số pháo hoa của riêng bạn ở sân sau nhà mình, bạn sẽ biết chúng hoạt động như thế nào. Pháo hoa rất thú vị, nhưng vụ nổ và hóa chất cháy rất nguy hiểm - ngay cả khi chúng được đóng gói trong bao bì sặc sỡ. Nếu bạn có thể phóng pháo hoa một cách hợp pháp trong thị trấn của mình, hãy nhớ thao tác cho đúng cách.

Văn Thiện

Theo The Conversation

Bạn bình luận gì về tin này?



BÀI CHỌN LỌC

Pháo hoa hoạt động như thế nào? Giải thích khoa học đằng sau những âm thanh và màu sắc rực rỡ