¿Por qué el fuego tiene varios colores diferentes?

¡YAY FUEGO!
Esta es una explicación simplista.

De ratones y átomos.
La razón de los colores en llamas tiene que ver, fundamentalmente, con la estructura electrónica de los átomos. Imaginemos un átomo como un gato y un ratón.

El núcleo es como un gato muy grande. Atrae al electrón (un ratón, por su cola) a través de la acción de las cargas: el núcleo es positivo y el electrón es negativo, por lo que se atraen. Debido a las propiedades de onda de los electrones, el electrón solo puede existir de manera estable en ciertas áreas correspondientes a los niveles de energía. Imagine que el ratón solo puede estar a un puñado de distancias del gato en función de lo fuerte que se aleje. Estos son curiosamente discretos; si desea saber por qué, búsquelo. Así que imaginemos que solo pueden estar a 1, 2, 3 … cm de distancia, y no hay nada en el medio.

Algunos elementos tienen muchos ratones. Ahora, normalmente, los ratones en el frente son los únicos que hacen algo, ya que pueden ver el exterior del átomo.

No intentes esto en casa, o nunca. Deja a los pobres ratones solos.

Queso volador.
Imagine que, de vez en cuando, un fotón vuela más allá del átomo gato-ratón. Es un trozo de queso. Cuanto más enérgico es el fotón, más grande es la pieza.

Cuando uno golpea un ratón, el ratón come una buena parte de él (el átomo absorbe la luz) y de repente tiene más energía: tira más fuerte y se mueve a una de las posiciones que mencionamos anteriormente. Es un tramo de la imaginación (perdón por el juego de palabras cursi), pero imagina que, poco después, el ratón eructa en una dirección aleatoria mientras el gato lo tira hacia atrás. ¡Eso significa que el átomo se reinicia y se emite luz! Puede hacer esto en un salto o en muchos, y cada salto hacia atrás corresponde a cierta energía del queso.

Queso colorido
Como cada átomo es diferente, a veces los ratones en el exterior (que son golpeados con el queso) están en diferentes posiciones, y tendrían diferentes opciones de posiciones a las que pueden ir para satisfacer sus extraños requisitos físicos. Cada salto corresponde a una brecha de energía diferente, y cuando desactivas, los electrones del ratón emiten ese tipo de fotón de queso. Como los fotones más enérgicos son más azules, los trozos de queso más grandes corresponden a una luz más azul y los más pequeños a rojo. Por lo tanto, los colores.

Esta es también la razón por la cual un determinado elemento puede emitir múltiples colores. Por lo general, si tiene suficiente del mismo elemento, la probabilidad aleatoria de saltar distribuida en todo el conjunto le da un poco de todo. Por lo tanto, colores químicos de huellas dactilares en llamas.

Tenga en cuenta que, en el caso de la radiación o las llamas del sincrotrón, la entrada de energía no es necesariamente otros fotones, a veces puede ser una alta aceleración o reacciones químicas (mover ratones entre gatos).

Los colores de las llamas se producen a partir del movimiento de los electrones en los iones metálicos presentes en los compuestos.
Por ejemplo, un ion de sodio en un estado no excitado tiene la estructura 1s22s22p6.
Cuando lo calienta, los electrones ganan energía y pueden saltar a cualquiera de los orbitales vacíos a niveles más altos, por ejemplo, a los 7s o 6p o 4d o lo que sea, dependiendo de cuánta energía absorba un electrón en particular de la llama.
Debido a que los electrones ahora están en un nivel más alto y más inestable energéticamente, tienden a caer de nuevo a donde estaban antes, pero no necesariamente de una sola vez.
Un electrón que había sido excitado desde el nivel 2p a un orbital en el nivel 7, por ejemplo, podría saltar de nuevo al nivel 2p de una vez. Eso liberaría una cierta cantidad de energía que se vería como luz de un color particular.
Sin embargo, podría retroceder en dos (o más) etapas. Por ejemplo, primero al nivel 5 y luego nuevamente al nivel 2.
Cada uno de estos saltos implica una cantidad específica de energía que se libera como energía luminosa, y cada uno corresponde a un color particular.
Como resultado de todos estos saltos, se producirá un espectro de líneas de colores. El color que ve será una combinación de todos estos colores individuales.
Los tamaños exactos de los posibles saltos en términos de energía varían de un ion metálico a otro. Eso significa que cada ion diferente tendrá un patrón diferente de líneas espectrales y, por lo tanto, un color de llama diferente.

Son sus líneas de emisión espectral. Estas son líneas brillantes que aparecen en los espectros de metales incandescentes relacionados con la energía de electrones particulares que pasan de un nivel de energía a otro.

Los que probablemente conozca más son estroncio (rojo), sodio (amarillo), bario (verde) y cobre (azul), ya que estos son los agentes de color normales en los fuegos artificiales. (En la siguiente ilustración, el cobre tiene muchas líneas verdes, por eso un cable de cobre en un incendio hace que la llama sea verde, pero en un fuego artificial es el cloruro de cobre el que colorea la llama y el espectro de cloruro es predominantemente azul).

Los colores que ve en un incendio dependen de 1) la temperatura a la que arde y 2) qué sustancias arde o calienta el fuego.

Es decir, en una primera aproximación, el color del fuego está determinado por la ley de Stefan-Boltzmann que da el pico de radiación en función de la temperatura: sube como la cuarta potencia de temperatura (en grados Kelvin).

Esto explica por qué el sol nos da mayormente luz amarilla, ya que para la temperatura de la superficie del sol, el pico es amarillo. También explica por qué una pieza de acero calentada en la fragua comienza al rojo vivo, pero si se calienta aún más, incluso se calienta. Incluso explica por qué la llama de una vela tiene un área amarilla y otra roja.

Pero eso es solo una primera aproximación. También está fuertemente influenciado por las sustancias en el fuego, ya sea que se quemen o solo se calienten. Cada sustancia pura tiene su propio espectro característico, por lo que esto también colorea el fuego.

Dado que la llama es puramente una reacción termoquímica, los colores que puede ver (a simple vista) son solo ondas de luz a diferentes longitudes de onda. Los colores son producto directo del material en llamas, es composición química. Como los astrónomos pueden determinar la composición de una estrella distante usando el prisma newtoniano, simplemente analizando las longitudes de onda, lo mismo se aplica a la industria de fabricación de acero … a través de un espectrómetro, el ingeniero puede determinar si existe la combinación correcta de elementos para un estándar de calidad de aleación de acero específico.

Hay dos influencias principales en el color de las llamas.

El primero es la “radiación del cuerpo negro” que es emitida por todos los materiales sólidos. En el caso de una llama, esto generalmente proviene de partículas de hollín (carbono) a alta temperatura, que brillan en rojo o naranja (o incluso amarillo) por la misma razón que brilla un póker al rojo vivo. Cuanto más caliente es, más se mueve el espectro de color hacia el extremo azul.

La segunda razón por la que las llamas emiten luz se debe a la radiación específica de los átomos y moléculas excitados. Por eso, los compuestos de cobre pueden hacer que una llama se vuelva verde. Esta luz se emite cuando un electrón en un átomo o molécula cae de un nivel de energía alto a uno más bajo, emitiendo un color específico de luz en forma de un fotón.

Hasta donde yo sé, el color de una llama es casi por completo la suma de estas dos formas de emisión de luz. Puede haber otras fuentes de luz, tal vez un físico pueda ampliar mi respuesta.

La llama tiene una temperatura alta, lo que significa que las moléculas y los átomos en la llama se mueven a altas velocidades. Cuando chocan, la energía se puede transferir a los electrones, moviéndolos a niveles de energía más altos. Cuando los electrones vuelven a caer naturalmente a sus bajos niveles de energía, emiten esta energía como un fotón. La energía del fotón (color de la luz) es muy específica a la diferencia en los niveles de energía en el átomo que se excitó.

Las llamas de diferentes temperaturas tienen diferentes colores. Las llamas pueden ir de rojo, naranja y amarillo a verde azulado a blanco. Una llama candente es la más caliente. Lo aprendimos en la escuela usando los mecheros bunsen.

(Podría estar equivocado sobre esto, porque ha pasado un tiempo desde que estudié estas cosas) Tiene que ver con la estructura atómica de las moléculas que se queman y la temperatura a la que se queman. Cuando los átomos están excitados, como lo están cuando se calientan a altas temperaturas, los electrones se excitan a estados más altos, y al saltar al siguiente estado, emiten fotones. El “tamaño” del salto hace que se emitan frecuencias específicas que percibimos como colores. Pero también hay “radiadores de cuerpo negro” como nuestro sol. Para aquellos, el color tiene que ver principalmente con la temperatura del sol en su superficie. Del color podemos deducir la temperatura.