火樹銀花千年燦！打鐵花里藏著多少科學密碼？| 科學世界·熱點

打鐵花是擁有千余年歷史的非物質文化遺產，一說起源于北宋祭祀。當表演者將高溫熔化的鐵水用力擊打向夜空的瞬間，鐵水如流星般劃過，瞬間迸射出萬朵金花，將整個夜空照得如同白晝。

打鐵花作為古代鑄鐵業(yè)工匠祭祀祈福的活動形式，一說始于北宋，甚至可以追溯到更早的春秋戰(zhàn)國時期。被尊為道教祖師的太上老君也被冶鑄行業(yè)尊為祖師，因此打鐵花的民俗中融有深厚的道教文化。按照最傳統的技藝，表演現場依五行八卦之理筑起幾米高的花棚，棚頂鋪滿新鮮柳枝，枝條上綁滿煙花爆竹。表演者一手持上棒，棒上凹槽盛滿鐵水；另一手持下棒，向上擊打。鐵水飛起，觸及棚頂柳枝迸濺四散，在空中劃過萬道光芒，綻放無數金花。同時引燃爆竹，令現場愈發(fā)熱烈。

打鐵花蘊含著哪些科學原理？

首先要將鐵從固態(tài)轉化為液態(tài)。純鐵的熔點高達1535℃，而表演用的鐵水一般為1600～1800℃。之所以要將鐵熔化為液態(tài)，是因為在表演過程中需要讓它分散開。分散的過程伴隨著新表面的形成，這需要克服表面形成能。由于液體具有流動性，可以通過變?yōu)榍蛐谓档托纬尚卤砻娴拿娣e，使液態(tài)的鐵更容易分散開。為了降低表面能而體現在液滴表面的應力，正是我們所熟悉的表面張力。

接下來是擊打與飛濺的過程。打鐵花的過程中需要將鐵水打得又高又散，這不僅要求表演者揮動下棒時擁有足夠的力度，而且要較精準地打在上棒盛有鐵水的凹槽處。這樣可以讓鐵水獲得較大的初始速度。鐵水在擊打、空氣中飛行及與交錯的柳枝碰撞時，復雜的受力會讓其克服表面張力分散成無數細小的液滴，并朝著不同的方向飛散。每個液滴雖然初始溫度很高，但是由于足夠小、含有的熱量非常有限，又有較大的比表面積可以較快地向周圍環(huán)境傳熱，因此一般不會在落下后燙傷表演者。當然，如果沒有經過專門訓練，擊打時力度或準確度不夠，就可能被燙傷。

鐵水，為什么能變成 “花”？

首先，任何高于0K的物體都會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射。普朗克定律告訴我們，物體熱輻射最主要的波長與其溫度成反比，如在常溫區(qū)的物體一般輻射不可見的紅外光。因此金屬鐵在不同溫度區(qū)間主要輻射不同波段的光，從而表現為不同的顏色，例如，在600～800℃呈紅色，900～1200℃呈黃色，1300℃以上則呈白色。此外，鐵水組成的液滴還會發(fā)生燃燒反應。期間，細小液滴表面的鐵原子與空氣中的氧氣充分接觸，并在固有的高溫下發(fā)生劇烈的燃燒反應、伴有放熱，生成三氧化二鐵（Fe2O3）及氧化亞鐵（FeO）。由于反應放熱也會加熱液滴，使其維持高溫、呈現金黃甚至白亮的視覺效果。同時，由于鐵水中一般溶有一定比例的碳，它可以與鐵的氧化物反應生成二氧化碳氣泡。這些氣泡可以合并、破裂，令每個細小的液滴進一步炸開，這樣便呈現出火樹銀花的精彩瞬間。

同樣是 “玩火”，打鐵花和煙花有啥不一樣？

究其根源，在于導致發(fā)光的原理不同。打鐵花是靠高溫時的熱輻射發(fā)出的黃白的光，這是一種波長連續(xù)的發(fā)光。而煙花則是靠焰色反應發(fā)光的。煙花的核心成分是黑火藥，包括硫磺（S）、木炭（C）和硝酸鉀（KNO3），三者被引燃后產生氣體、劇烈膨脹從而發(fā)生爆炸，并伴有強烈放熱。對于一種特定的金屬元素，會擁有獨特的電子能級結構，在接收能量后電子會在這些能級之間躍遷，火藥成分中的鉀離子會發(fā)出紫色光。然而硝酸鉀中往往混有硝酸鈉，鈉離子發(fā)生焰色反應會發(fā)出黃光，掩蓋前者的紫色光，因此古代的煙花一般呈現黃色。現代的煙花會摻入更多金屬鹽實現豐富的顏色，比如，鈣（Ca）、鍶（Sr）、鋇（Ba）鹽分別可以呈現橙紅、紅色和綠色。此外煙花中還可能摻入鎂（Mg）或者鋁（Al）的粉末作為發(fā)光劑提高亮度，其原理與打鐵花類似，都是金屬燃燒放熱后處于高溫狀態(tài)的熱輻射。

可見，火樹銀花的背后，既是跨越千年的文化傳承，又閃爍著科學的極致浪漫。

本文摘編自雜志2025年第3期，文章內容略有刪改。

實習編輯 | 張佳慧