Tulenliekkinä saavuit kerran...

 Kuvasta näkee selvästi, kuinka nopeasti näkyvän liekin yläosassa olevat nokihiukkaset jäähtyvät niin, että eivät enää hehku. Liekin ilmavirta on hyvin laminaarista, josta syystä liekin reunoilla hehku loppuu kirkkaana kuin veitsellä leikaten. Hehkun ulkopuolella ei yksinkertaisesti vain ole nokihiukkasia.

Elmo Lehtelä, 6 v. kyseli Hesarin tiedepalstalla 7.9.2013 "Miksi tuli on keltaista?". Turun yliopiston teoreettisen fysiikan dosentti Iiro Vilja vastasi.

"Tulenliekki näyttää tosiaan usein kirkkaan-, vaalean- tai oranssinkeltaiselta. Tuli voi olla kuitenkin myös punainen, oranssi, valkoinen, sininen tai jopa vihreä.

Tulenliekin väri riippuu liekin kuumuudesta ja palavasta aineesta. Liekin kuumin kohta on valkoinen ja viileämmät kohdat keltaisia, oransseja tai punaisia. Hyvin kuumassa lämpötilassa palavat aineet, esimerkiksi hitsauskaasut, palavat sinisellä tai lähes valkoisella liekillä.

Tavallisen kynttilän, tulitikun tai takkatulen liekki on yleensä keltainen tai oranssinkeltainen. Kellertävä väri johtuu pienenpienistä nokihiukkasista, jotka syntyvät kynttilän, puun tai tulitikun palaessa. Noki puolestaan koostuu lähes kokonaan hiilestä.

Kellertävää liekkiä tarkasti katsomalla kuitenkin havaitsee, että siinä on yleensä erivärisiä kohtia. Kuumimmissa kohdissa väri on valkoinen, viileämmissä se on keltainen, oranssi tai punainen.

Keltainen liekki syntyy myös natriumin palaessa. Natriumia sisältyy tavalliseen ruokasuolaan, mutta sitä käytetään myös esimerkiksi ilotulitteissa."

Vastaukset kysymyksiin, jotka edellyttävät  lapsen käsityskyvyn ylittäviä tietoja ja käsitteitä, ovat tietysti haasteellista. Ei se kuitenkaan tarkoita sitä, saa kertoa selkeätä potaskaa – siis kaliumkarbonaattia.

Kolme ensimmäistä virkettä menee vielä jotenkuten, mutta sitten tulee vaikeuksia. Hehkuvan kappaleen lämpötilalla ja hehkun värillä on toki yhteys. Valon aallonpituusjakauma on siirtyy punaisesta siniseen päin lämpötilan kasvaessa. Tähtien värit ovat hyvä esimerkki tästä. Valkoisten tähtien lämpötila on suunnilleen sama kuin omalla Auringollamme, eli noin 5500 astetta. Aurinkoamme kylmemmät tähdet ovat punaisia, lämpimämmät sinisinä.

 Kuva: Lincoln Harrison

Tähtien värin perusteella voidaan arvioida niiden pintalämpötiloja.

Kun tiedetään, että kynttilän liekin lämpötila on noin 1000 astetta, niin jokin ei täsmää. Kynttilän liekin lämpötilan pitäisi olla paljon kuumempi, jotta sen keskustan valkoisuus johtuisi lämpötilasta. Erityisen paljon kuumempi pitäisi olla liekin alaosan sinisen alueen, jos sekin väri johtuisi lämpötilasta.

Ihmisen silmä on varsin huono instrumentti havaitsemaan valon värejä, jos valo on liian kirkasta. Emme me korkealla taivaalla olevan Auringon  väriäkään pysty kunnolla näkemään, koska Aurinko on niin kirkas. Silmän värinäkö "ylivalottuu", palaa puhki, kuten valokuvaajat asian ilmaisevat.

Sama pätee kynttilän valoon. Liekin keskiosassa hehkuvien nokihiukkasten tiheys on niin suuri, että niiden kirkkaus on liikaa näköaistin värinäölle. Siksi kynttilän liekin keskusta näyttää valkoiselta. Kun kameralla otetaan kuva kynttilän liekistä tarpeeksi vähän valottaen, niin liekin keskiosankin väri saadaan näkyviin. Se on punainen-keltainen, kuten sen lämpötilan perusteella kuuluukin olla.

 Liekin lämpötilajakaumasta voidaan päätellä jotain tämän vähän valotetun kuvan avulla. Silmä ei kykene näkemään kynttilän liekkiä ainakaan ilman suodattimia tai muita optisia apuvälineitä tällä tavalla. Keskellä on keltaisempi alue, jossa liekin lämpötila on kuumempi kuin muualla liekissä.

Siihen, miltä liekki näyttää kuvassa, vaikuttaa kaksi muuttujaa. Lämpötilasta riippuva liekin aallonpituujakauma eli väri sekä lämpötilasta että hehkuvien hiukkasten tiheydestä riippuva liekin kirkkaus. Siksi kuvasta ei voida aivan suoraviivaisesti päätellä lämpötilaeroista liekin eri osissa. Liekkiä reunustava tummanpunainen rantu lienee kuitenkin kylmintä liekin osaa, mikä ei sinänsä ole mitenkään  yllättävä kuvasta tehty johtopäätös. Kuva kannattaa klikata suuremmaksi, niin eri väriset ja kirkkauksiset alueet erottuvat paremmin.

Valon väri voi syntyä myös toisella mekanismilla kuin hehkusta. Palamisen energia virittää palamisessa mukana olevien aineiden elektroneja. Kun viritystila purkautuu, niin aine säteilee viritystilan "energian" eli aallonpituuden mukaista valoa, mikä tarkoittaa tietyn väristä valoa. Hiilivetyjen palaessa merkittävin näkyvä ns. karakteristinen aallonpituus on noin 430 nanometriä, mistä johtuu liekissä näkyvä sininen väri. Kaasumaisia hiilivetyjä, kuten vaikka nestekaasua poltettaessa tämä on käytännössä ainoa liekin väri, jos kaasu palaa puhtaasti. Epäpuhtaassa palamissa syntyy nokea, joka taas saa aikaan hehkun keltaisen liekin kaasujenkin palaessa.

Kuva: Wikepedia

 Nestekaasun valon aallonpituusjakauma. Sininen väri johtuu voimakkaasta CH-karakterisesta piikistä.

 Lähikuvassa nähdään kaksi valonmuodostustapaa. Sydänlangan pää hehkuu paikallisesta lämpötilasta riippuen punaisena tai keltaisena. Liekin reunassa oleva sininen hehku on hiilivetyjen karakteristista säteilyä. Sitä on muuallakin liekissä, mutta hentona se ei erotu hehkusta syntyvän liekin valosta.

Natrium on ihan oma lukunsa. Sitä kun harvemmin poltetaan, sen verran reaktiivisesta aineesta on kysymys. Toki sitä voidaan polttaa ja veteen heitetty natrium reagoi niin kiivaasti, että reaktiolämpö sytyttää natriumin palamaan. Osa palavasta aineesta on kuitenkin natriumin ja veden reaktiossa vapautuvaa vetyä. Sen lisäksi palamisreaktiokin on niin kiivas, että liekin kirkkaudelta ei natriumin keltaista väriä pysty erottamaan. Liekki näyttää valkoiselta.  Tätä koetta tein monia kertoja ollessani vielä opetustyössä ja kun kouluissa sai säilyttää vähän ärtsympiäkin kemiallisia aineita. Ymmärtääkseni metallinen natrium on nykyään kiellettyjen aineiden listalla.

Natriumin palamista ja etenkin palamista keltaisella liekillä harva on nähnyt. Kouluissakin sen sijaan tehdään ns. liekkireaktioita, joissa mm. natriumsuolaa kuumennetaan bunsenliekissä. Silloin nähden suolan metalliosan karakteristiset värit, mikä natriumille on kirkkaan keltainen. Myös rakettien natriumin värit tulevat natriumsuoloista, ei palavasta natriumista. Saman värin saattoi nähdä vielä joitakin aikoja sitten niissä katuvaloissa, joissa käytettiin matalapainenatriumlamppuja. Niiden valo oli täysin yksivärisen keltaista, mistä syystä niistä on pikku hiljaa luovuttu, vaikka ne muuten olisivatkin hyvin energiatehokkaita valon tuottajia.

 Eri metallien liekkireaktioita. Natrium vasemmanpuoleisena. Kyseessä ei ole siis palaminen vaan kullekin aineelle tyypillinen viritystilojen purkautumista seuraavan säteilyn väri.

Dosentille antaisin vastauksesta auskultooineen aineenopettajan valtuuksilla arvosanan 6. Hesarille sen painamisesta ilman mitään kontrollia lehteen korkeintaan 5-.

 Sakarin kommenttiin liittyvä kuva minun värillisestä led-lampustani. Tämän mukaan sininen olisi kirkkain ja punainen vähiten kirkas. 

Netistä kaapattu kuva, joka havainnollistaa aallonpituusjakaumia. Jos halutaan simuloida aauringonvalon kaltaista valkoista valoa, niin on aika ymmärrettävää, että RGB-komponentit eivät ole yhtä intensiivisiä, koska ne eivät auringonvalossakaan ole sitä. Tutkailen asiaa vähän syvällisemmin itseni ja poikkitiedepalstan lukijoiden iloksi lähtitulevaisuudessa. Väri on monimutkainen juttu, ettei se ole selvinnyt yhdellä gradulla vielä edes minulle.

ps. Myöhemmin illalla. Alla oleva kuva on otettu 3 aukkoa puoleen ja toiseen haarukoiden. Liekit vaihtavat muotoaan niin nopeasti, että niistä ei saa mitään järkevää HR-kuvaa.

 

Tuleen tuijottelu on hypnotisoivaa. Kuvattu kymmenkertaisesti hidastaen. Siniset liekit ovat Solventolista.