ดอกไม้ไฟ: แสงสีจากเคมีของปฏิกิริยา

พลุหรือดอกไม้ไฟที่ถูกจุดขึ้นกลางท้องฟ้าเพื่อใช้ในจุดประสงค์แตกต่างกัน บ้างก็ใช้ในการเฉลิมฉลองในงานเทศกาลต่างๆ บ้างก็ใช้เพื่อเป็นอุปกรณ์ส่องสว่างท่ามกลางสนามรบในยามค่ำคืน ประกายไฟที่ส่องแสงระยิบระยับในความมืดนั้นไม่ได้เกิดขึ้นง่ายๆ เหมือนกับการนำไม้ขีดไฟมาถูข้างกลักไม้ขีด แต่เบื้องหลังแสงสีที่ปรากฏนั้นเต็มไปด้วยคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ที่ผ่านการคิดค้นและพัฒนาจากการค้นพบดินส่วนผสมในการทำระเบิดโดยบังเอิญของชาวจีนเมื่อสองพันปีที่แล้ว

แสงสีที่เกิดขึ้นจากดอกไม้ไฟนับเป็นหัวใจสำคัญที่ดึงดูดความสนใจให้ทุกสายตาต้องจับจ้องมาที่การแสดงนี้ กระบวนการเกิดแสงสีที่เกิดขึ้นเกิดมาจากปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์ในเรื่องของ Atomic emission spectroscopy หรือการปลดปล่อยแสงจากอะตอม ซึ่งมีกลไกการเกิดขึ้นดังนี้

atomic_emission

เมื่ออะตอมได้รับพลังงานในรูปของความร้อน อิเล็กจะถูกกระตุ้นจากสภาวะพื้น (ground state) ขึ้นไปสู่สภาวะเร้า (excited state) ซึ่งมีระดับพลังงานสูงกว่า อะตอมจะไม่คงสภาพอยู่ในระดับนี้เนื่องจากมีพลังงานสูงเกินไปจึงลดระดับพลังงานของอิเล็กตรอนมาสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า ในขณะเดียวกันพลังงานส่วนต่างที่เกิดจากการลดระดับพลังงานจะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามสมการ E = hc/λ เมื่อ E คือพลังงานส่วนต่างของระดับพลังงาน, h คือค่าคงที่ของแพลงค์, c คือความเร็วของแสง และ λ คือความยาวคลื่นของรังสีที่ปลดปล่อยออกมาเป็นสีต่างๆ

พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมจะเป็นค่าเฉพาะของธาตุแต่ละชนิด ดังนั้นสีที่ปรากฏในดอกไม้ไฟสีต่างๆ จึงเกิดจากการปลดปล่อยแสงจากอะตอมของธาตุต่างชนิดกัน เช่น

สีแดง จาก สตรอนเชียม (Sr) และ ลิเธียม (Li)
สีส้ม จาก แคลเซียม (Ca)
สีเหลือง จาก โซเดียม (Na)
สีเขียว จาก แบเรียม (Ba)
สีฟ้า จาก ทองแดง (Cu)
สีม่วง จาก สตรอนเชียมผสมกับทองแดง

ในการเลือกใช้ธาตุชนิดต่างๆ เป็นตัวกำเนิดสีในดอกไม้ไฟนิยมใช้เกลือคลอไรด์ของธาตุชนิดนั้นๆ เช่น แคลเซียมคลอไรด์ (CaCl2) และแบเรียมคลอไรด์ (BaCl2) เนื่องจากอะตอมของคลอรีนมีส่วนช่วยในการเพิ่มความเข้มให้กับสีที่ได้จากอะตอมของโลหะ

นอกจากการเลือกใช้สารเคมีในการสร้างสีสันให้กับดอกไม้ไฟแล้ว การออกแบบส่วนประกอบของดอกไม้ไฟถือเป็นสิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งที่จะทำให้ดอกไม้ไฟที่จุดขึ้นสู่ท้องฟ้ามีรูปแบบตามที่ต้องการ ไม่เช่นนั้น การให้ความร้อนกับสารเคมีที่กล่าวไปข้างต้นก็คงไม่ต่างอะไรไปจากการจุดระเบิดที่มีสีเท่านั้น

ส่วนประกอบของดอกไม้ไฟประกอบด้วย 4 ส่วนหลัก คือ ภาชนะบรรจุ, เม็ดดาว, เชื้อปะทุระเบิด และ ชนวน

firework_component3

ภาชนะบรรจุจะแบ่งออกเป็นสองส่วนย่อย คือ ส่วนของฐาน (lift charge) ที่ทำหน้าที่นำดอกไม้ไฟขึ้นสู่ท้องฟ้าก่อนการจุดระเบิด และส่วนของตัวดอกไม้ไฟที่มีชนวนหน่วงเวลา (time fuse) ที่ทำหน้าที่ควบคุมการระเบิดที่ระดับความสูงตามต้องการ

firework_ignite

เมื่อชนวนบริเวณฐานถูกจุดขึ้น (ขั้นตอนที่ 1) ตัวของดอกไม้ไฟจะพุ่งทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าในขณะเดียวกันชนวนหน่วงเวลาจะถูกจุดขึ้นระหว่างนั้น ความยาวของชนวนหน่วงเวลาจะเป็นตัวกำหนดระดับความสูงของการระเบิด (ขั้นตอนที่ 2) และเมื่อชนวนหน่วงเวลาถูกเผาไหม้จนหมดจะทำให้เกิดการระเบิดของเชื้อปะทุระเบิด (burst charge) ที่บรรจุอยู่ภายในตัวดอกไม้ไฟ ส่งผลให้เม็ดดาว (stars) ที่ถูกเรียงตามรูปแบบที่ต้องการเกิดการระเบิดขึ้นอีกต่อหนึ่ง (ขั้นตอนที่ 3)

ภายในเม็ดดาว หรือ stars จะประกอบไปด้วยเชื้อเพลิงและสารเคมีชนิดต่างๆ ที่รอทำปฏิกิริยาภายหลังการระเบิด เมื่อเชื้อเพลิงภายในเม็ดดาวลุกติดไฟจะมีการถ่ายเทอิเล็กตรอนไปยังตัวออกซิไดซ์ (oxidizer) ซึ่งเป็นสารประกอบเปอร์คลอเรท และเกิดแก๊สออกซิเจนเป็นผลิตภัณฑ์ดังสมการ (1)

equation_firework

ออกซิเจนที่เกิดขึ้นจะทำหน้าที่ในการออกซิไดซ์ซัลเฟอร์และคาร์บอนในเม็ดดาวเพื่อให้เกิดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์อุณหภูมิสูงออกมา ดังสมการที่ (2) และ (3) ความร้อนที่เกิดขึ้นจากแก๊สทั้งสองชนิดนี้จะทำให้สารเคมีที่หน้าหน้าที่เป็นตัวเกิดสีปลดปล่อยแสงออกมาเกิดเป็นดอกไม้ไฟที่มีสีสันและรูปแบบตามต้องการนั่นเอง

แม้ว่าการจุดดอกไม้ไฟในแต่ละครั้งจะเกิดขึ้นในช่วงระยะเวลาชั่วพริบตา แต่กลไกและปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในนั้นต้องผ่านการคิดค้นและพัฒนามาเป็นระยะเวลาอันยาวนานจนทำให้ดอกไม้ไฟบางลูกมีราคาถึงหลักล้านเลยทีเดียว