Спектральный анализ пламени костра. Что делает огонь желтым – наночастицы углерода или соли натрия?
Вечерний костер на берегу Кучерлинского озера на АлтаеВ публикациях в интернете по-разному объясняется, как возникает цвет пламени у костра
Существует две принципиально разные версии. В одной говорится, что излучают раскаленные частицы углерода размером около 100 нм, во второй — что желтый цвет возникает при излучении солей натрия, находящихся в древесине.
В многочисленных публикациях одно или другое из этих объяснений. На форумах обсуждается эта тема, но никто не ссылается на результаты экспериментов.
Вот пример типичных публикаций:
То есть, до настоящего времени нет общепринятого варианта объяснения механизма видимого излучения, возникающего в процессе горения костра!
И все же — почему костер желтый?
Я решил провести эксперименты и найти правильный ответ. Мне нужно было измерить спектр видимого излучения пламени костра и объяснить результаты. Если спектр будет сплошным — верна первая версия, если мы будем наблюдать двойную линию натрия — вторая.
Замечу, в русскоязычном и англоязычном интернете мне не удалось найти подобных спектров.
Для проведения работы я изготовил и настроил спектрометр.
Самодельный спектрометр
В интернете много публикаций и роликов о том, как сделать спектрометр из DVD диска, однако характеристики этих приборы не позволяют провести нужные измерения. Мне же удалось сделать качественный спектрометр.
Основные характеристики
Спектрометр работает в диапазоне 400–700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.
Измерение спектра пламени костра
Были проведены классические эксперименты — измерены спектры Солнца, лазеров, пламени газовой горелки и всевозможных ламп. Спектрометр прошел проверку и теперь можно было приступать к исследованию пламени костра.
Исследуемое пламя костра в камине
Я разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламениИзмерим спектр линии огня — так я назвал увиденную линию.
На фоне очень слабого непрерывного черно-тельного спектра были зарегистрированы две яркие желтые лини с длинами волн 589,0 нм и 589,6 нм. Согласно базе данных NIST — это линии натрия.
Спектры калибровочной лампы, костра в камине, поваренной соли и золы из каминаНиже на фотографии показана часть спектра пламени костра с большим увеличением, чтобы можно было рассмотреть двойную линию натрия 589,0 нм и 589,6 нм на фоне непрерывного спектра раскаленных частиц углерода:
Крупным планом спектральные линии натрия в костре и линии натрия в золе, горящей в спирте.В дальнейших исследованиях была зафиксирована динамика появления линий натрия в спектре. Пока костер разгорается — в спектре линии отсутствуют. По мере появления углей и увеличения мощности излучения, данные линии появляются и их яркость растет.
Обсуждение результатов экспериментов
Почему мы видим желтый цвет, физиология
Чтобы правильно объяснить результаты экспериментов надо понимать, как наши глаза воспринимают излучения разной длины волны и как мозг обрабатывает эту информацию.
Коротко и очень, очень упрощенно напомню хорошо известные факты. Мы воспринимаем цвет желтым по разным причинам: в одном случае, когда в сетчатку глаза попадает излучение узкого спектра с длинной волны в диапазоне 570 нм — 590 нм, и во многих других, когда в глаза попадает излучение разного спектрального состава. Например, красный и зеленый в правильных пропорциях будут восприниматься как желтый. На экране мониторов мы создаем как раз такой желтый цвет.
То есть наши глаза и затем мозг создают иллюзию цвета и поэтому для понимания физических и химических процессов нам и требуется измерение спектра.
Заблуждение, которое встречается во многих публикациях, в которых объясняют желтый цвет костра — «Цвет костра вызван излучением натрия»
Данный эксперимент показывает — появление двойной линии натрия не оказывает какого-либо заметного изменения цвета.
Небольшие пояснения
Сравним спектры излучения Солнца и пламени костра.
В солнечном спектре максимум приходится на зеленый цвет, а мощность красного и синего меньше. Излучение именно с такой спектральной характеристикой воспринимается как белый цвет.
В пламени костра из атомов углерода образуются частицы сажи размером до 100 нм. Эти частицы и дают непрерывный спектр с максимумом излучения в инфракрасной области, а мощность видимого излучения падает от красного к зеленому и еще больше к синему. Излучение с таким спектром воспринимается человеком как оттенки желтого и оранжевого, в зависимости от температуры области пламени. Желтый цвет костра — это случайное совпадение.
Влияние солей натрия
В процессе горения появляется зола в которой содержатся соли, в том числе и соли натрия. Золы совсем немного. Она начинает подниматься в пламени вверх, и яркая двойная желтая линия натрия постепенно появляется в спектре. Однако ее появление не сказывается заметно на цвете костра, так как желтый цвет от непрерывного спектра глаза уже воспринимают.
Мощность излучения натрия значительно меньше, чем суммарная мощность непрерывного спектра.
Выводы
То, что мы видим костер желтым, не означает, что идет излучение в узком спектральном диапазоне натрия. Наши глаза и мозг воспринимают непрерывный спектр как желтый цвет.
Появление дополнительно яркой линии натрия мало влияет на восприятие цвета костра, который остается таким же желтым. Для нас не заметно изменение цвета, так как такой цвет уже был. Кстати, если бы за цвет костра отвечал только натрий, оттенков бы не было, так как мы бы видели чистый спектральный цвет.
Почему же популярной остается версия о том, что желтый цвет костру придает линия натрия? Скорее всего, случайное совпадение цвета линии натрия и черно-тельного спектра углерода и привело к путанице.
Цвет пламени костра дают ярко светящиеся частицы углерода. Влияние на цвет излучения натрия минимально.
О том, как сделать качественный спектрометр и как правильно проводить эксперименты читайте в моей статье «Самодельный спектрометр с высоким разрешением»
Полезные ссылки:
И.А. Леенсон «Химия и жизнь» №2, 2011 Химия пламени. В статье рассказывается, в том числе, как в пламени возникают светящиеся наночастицы углерода.
Информационная система «Электронная структура атомов». Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов. Ссылка для натрия.
Максим Бондаренко, Как мы воспринимаем цвет. Доступно и интересно написано о сложном.
