焰色与光谱
把一点盐放进火焰，火焰就染上颜色；用棱镜把这光分开，每种金属都是自己那几条亮线。
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一根铂丝，一颗盐珠
用细铂丝蘸一点金属盐，放进几乎无色的煤气火焰，火焰就染上颜色：锂是深红，钠是黄，钾是淡紫，钙是砖红，锶是深红，钡是黄绿，铜是绿或蓝。
1860 年，基尔霍夫和本生就是这样做的：把极细的铂丝一端弯成一个小环，把烘干的氯化物熔成一颗珠挂在上面，从侧面伸进火焰的外缘。
常用氯化物，是因为氯化物容易挥发。台上七个瓷碟里，就是这七种金属的氯化物。
锂 深红 · 钠 黄 · 钾 淡紫 · 钙 砖红 · 锶 深红 · 钡 黄绿 · 铜 绿或蓝
颜色属于金属
颜色来自金属，不来自盐的另一半，也不来自火。基尔霍夫和本生把同一种金属的溴化物、碘化物、氢氧化物、硫酸盐和碳酸盐，放进硫、二硫化碳、酒精、煤气、一氧化碳、氢气和氢氧焰这七种火焰。谱线的位置一条也没变；换了盐，只是亮度不同。
他们的结论是：这些亮线可以当作金属在场的可靠标记。发光的是火焰里的金属原子，不是溶液里的离子；钠离子吸收和放出的光，都远在紫外。
在火焰里，钙、锶、钡、铜还会和氧、氢、氯结成小分子，比如 CaOH、SrOH、SrCl、BaCl 和 CuCl。它们发出一段段的光带，不是细线；这几种金属的颜色，主要就来自这些光带。发光的仍是含这种金属的东西。
NaCl · Na₂SO₄ · Na₂CO₃：谱线在同一个位置
一份固定的能量
火焰里，钠原子不停地被别的分子撞。一次碰撞可以把它最外面的电子从最低的 3s 能级抬到 3p 能级。电子平均只在那里停留约 16 纳秒，就落回 3s，把多出来的能量放成一份光。
3p 其实是两个靠得很近的能级，它们分别比 3s 高 2.104 电子伏和 2.102 电子伏，所以钠只放出两种光：589.0 纳米和 589.6 纳米。按 E = hc/λ 算，589.0 纳米的光每一份能量是 2.10 电子伏。
每种元素的能级不同，能放出的光也就只有自己那几种。氢原子的能级和谱线，在“电子在哪里”那一页。
钠 3p → 3s · 589.0 和 589.6 纳米 · 每份约 2.10 电子伏
几乎不亮的火焰
要看清盐的颜色，火焰自己最好不发光。蜡烛的光主要来自火焰里炽热的碳粒；没有这些碳粒，火焰照样很热，却几乎不亮。
本生和罗斯科 1857 年发表了这盏灯：煤气从一块金属里的喷嘴喷出，经四个直径 7 毫米的孔吸进空气，混合后在一根长 76 毫米、粗 8.5 毫米的管口燃烧，火焰几乎无色、不冒烟；把孔堵上，就变回发亮、冒烟的煤气火焰。它从 1855 年起已在本生的海德堡实验室里使用，由大学的仪器匠 Peter Desaga 制作。
基尔霍夫和本生写道，火焰越热、自身越不亮，谱线就越清楚，而本生的灯温度很高、亮度很小。盐珠要放在外焰里，内锥稍上方。
1857 年 · 管长 76 毫米、粗 8.5 毫米 · 四个 7 毫米的进气孔
狭缝、棱镜、望远镜
分光镜把火焰的光按波长分开。光先穿过一道窄缝；缝在第一支镜筒（准直管）透镜的焦点上，出来就成了平行光。平行光穿过棱镜，波长越短，折转得越多。第二支镜筒（望远镜）再把每种波长聚成一条缝的像：一种波长，一条亮线。
1860 年，基尔霍夫和本生用的是一只内壁涂黑的箱子，两支小望远镜装在夹角约 58° 的两面侧壁上，中间是一只装满二硫化碳、折射角 60° 的空心棱镜；观察望远镜只放大约四倍。
1861 年，慕尼黑的 Steinheil 工场为他们造了一台新仪器，台上就是这个样子：铸铁脚上是一块黄铜板，托着 60° 的火石玻璃棱镜和准直管；两根能转的臂，托着放大 8 倍的望远镜和刻度管。刻度是一把毫米尺的照片，缩成约 1/15 印在玻璃上，由棱镜前面反射进望远镜，和谱线叠在一起。按一种火石玻璃来算，钠的黄线要折转约 48.2°，404 纳米的紫光约 51.3°，766 纳米的红光约 47.2°。
狭缝 → 准直管 → 棱镜 → 望远镜 · 钠的黄线折转约 48.2°
每种金属一套谱线
锂的谱里有一条明亮的红线，670.8 纳米，和一条很弱的橙黄线，610.4 纳米。钠的是两条挨得很近的黄线：589.0 和 589.6 纳米。钾的是一对深红线，766.5 和 769.9 纳米，几乎到了人眼看得见的尽头，另有一对紫线，404.4 和 404.7 纳米。
钙、锶、钡的谱多是光带。钙：橙色和黄绿色两道，约 623 和 554 纳米，是 CaOH 发的。锶：一片红，约 606–686 纳米，是 SrOH 和 SrCl 发的，另有一条蓝线，460.7 纳米。钡：几道绿带，约 487–532 纳米，是 BaOH 和 BaCl 发的。铜的蓝来自 CuCl，约 428–452 纳米。
基尔霍夫和本生写道：谱线的位置是一种像原子量一样不变的性质，可以测得几乎像天文学一样准。
锂 670.8 · 钠 589.0/589.6 · 钾 766.5/769.9 · 锶 460.7 · 钙 422.7 · 钡 553.5（纳米）
黄色盖过一切
钠几乎无处不在。基尔霍夫和本生发现，烧干净的铂丝在空气里放几个小时，钠线就又出现了；拍一拍落了灰的书，几步之外的火焰里，钠线就猛地一闪。他们在约 60 立方米的屋子一角烧掉 3 毫克钠盐，屋里火焰中的钠线约 10 分钟后才完全消失，而飘进火焰的钠少得根本称不出来。
钠的黄光又正好落在人眼很敏感的一段。按国际照明委员会的明视觉函数，两种光功率相同时，钠的 589 纳米约比钾的 766 纳米看起来亮 2 万倍（本页计算）。所以钾盐里只要混进一点钠，淡紫的火焰看起来就成了黄的。
化学书的办法是隔着两层钴蓝玻璃看：钠的黄光被吸收，钾的火焰显出红色。分光镜更直接，两种光各在自己的位置。1860 年，他们把六种氯化物各取不超过 0.1 毫克混在一起放进火焰，钠、锂、钾、钡的线先后出现，最后钙和锶的线像从雾里显出来。
同样的功率：589 纳米看起来约是 766 纳米的 2 万倍亮
两条没人见过的蓝线
1860 年 5 月，本生写信给柏林科学院：在几种盐泉的母液里，还有第四种碱金属；几公斤原料里只有几毫克，可它的谱很好认，只有两条蓝线，一条几乎落在锶的蓝线上，另一条稍偏紫，亮得能和锂的红线相比。已知的元素没有一种在那里有这样两条线。
1861 年，他们给它起名 Caesium（铯），取自拉丁文 caesius，古人用这个词说晴空的蓝。为了拿到研究用的几克盐，他们处理了约 44,200 公斤迪尔克海姆的盐泉水，最后得到 7.27 克氯化铯。
同一年，他们从约 150 公斤萨克森的锂云母里又找到第五种碱金属：两条亮紫线，还有两条红线比太阳光谱的 A 线还靠外。他们按这深红色叫它 Rubidium（铷），取自拉丁文 rubidus。只凭火焰的颜色分不出它们：钾、铷、铯都把火焰染成紫色，只有分光镜分得开。
铯 455.5 和 459.3 纳米 · 铷 780.0 和 794.8 纳米 · 约 44,200 公斤盐泉水 → 7.27 克氯化铯
从火焰到太阳
1859 年，基尔霍夫让太阳光先穿过一团加了食盐的火焰再进分光镜。太阳光弱时，D 线的位置上出现两条亮线；太阳光强时，那里的两条暗线反而更深。他的结论：火焰里的钠在它发光的波长上吸收光，太阳光谱里的暗线 D 说明太阳大气里有钠。
分光镜从此成了找新元素的工具。1861 年，克鲁克斯在一家硫酸厂的含硒残渣里看到一条新的亮绿线，按希腊文的“嫩枝”给这种元素起名铊，形容那新绿的颜色。1863 年，F. Reich 和 Th. Richter 在锌矿炼出的不纯氯化锌里看到一条靛蓝色的线，新金属就叫铟。1868 年，天文学家在太阳日珥的光谱里看到一条黄线，靠近 D 线，却对不上地上的任何火焰；Frankland 和 Lockyer 提议把它的元素叫作氦。
天上也有这样的谱线：极光的绿光和红光，是高空的氧原子被撞以后放出的光（见“天上的帘幕”那一页）。
铊 535.0 · 铟 451.1 · 氦 587.6（纳米）
天上的焰色
烟花用的是同一批金属：锶给红色，钡给绿色，铜给蓝色，钠给黄色，钙给橙色。真正发光的多是火里生成的小分子：红色是 SrCl 和 SrOH，绿色是 BaCl 和 BaOH，蓝色是 CuCl。传统做法是给锶和铜配上含氯的成分，让火里生成这些氯化物。
蓝色最难。发蓝光的 CuCl 是一种脆弱的气体分子：火焰不够热，光太弱；太热，它就分解成发绿光的 CuOH 和 CuO，颜色被冲淡。有一种估计是超过约 1,500 开就不行了。所以烟花的蓝，往往比红和绿暗。
眼睛也帮不上忙：同样的功率下，450 纳米的蓝光看起来只有 555 纳米的绿光约 1/26 那么亮（本页按国际照明委员会的数据计算）。燃烧生成的钡化合物有毒，研究者也在开发不含钡的绿色烟火。
红 SrCl、SrOH · 绿 BaCl、BaOH · 蓝 CuCl · 黄 钠 · 橙 钙
拆开分光镜
台上的装置拆成七件：棱镜罩、棱镜、准直管、望远镜、刻度管、本生灯和铂丝架。
指针停在哪一件上，它就被单独托出来，标出名字；不动时，七件的名字都标在旁边。
棱镜罩 · 棱镜 · 准直管 · 望远镜 · 刻度管 · 本生灯 · 铂丝架
换一种盐
这是本页的模型：谱线的位置按 NIST 和文献，亮度和火焰的颜色是示意。每按一次“再蘸一次”，铂丝就重新挂上一颗盐珠：颜色亮起来，停几秒，随着盐烧掉慢慢变淡。
“混进一点钠”在盐里加一点钠：火焰看起来变黄，谱线里钠的两条黄线和原来的线并排出现，原来的线一条也没少。
本页的模型 · 位置按 NIST 和文献 · 亮度是示意
试一试实验台上选 KCl，打开“混进一点钠”：火焰看起来是什么颜色？分光镜里钾的深红线还在吗？钠 589.0 纳米的光，每一份的能量约是多少电子伏？
模型省略了什么
台上的分光镜是照 1861 年论文对 Steinheil 新仪器的文字描述做的模型（论文的图版没有找到），比例参考了同型的后期实物，不是哪一件保存下来的原物；基尔霍夫和本生 1860 年用的是装二硫化碳的空心棱镜和两支镜筒。1861 年挡杂光用的是一块盖在棱镜和镜筒上的黑布，这里画成一只黑色的罩，剖开了一角；准直管和望远镜的管壁开了窗。照亮刻度的那盏小灯没有画。本生灯照 1857 年的描述做。从火焰到望远镜的光路、望远镜里的视野都是示意：谱线的位置按 NIST 的波长和文献里的光带算，亮线的亮度和粗细只是示意，不是测量值；NIST 给的相对强度也不能在不同元素之间比较。棱镜的色散按 Schott F2 火石玻璃的公式算，视野下的刻度换成了纳米，当年的仪器用的是自己的任意刻度。火焰的颜色按化学书的颜色词画，屏幕显示不准；铜的光带只画了 CuCl 的蓝带，CuOH 的绿光没有查到可靠的波长，没有画。铷、铯的最强谱线在红外，视野里只画了看得见的部分。
几个容易误会的地方
焰色不是金属在“燃烧”，也不是盐或火本身的颜色：火焰的热把金属原子（或含这种金属的小分子）激发，它们落回低能级时，只放出自己那几种波长的光。发光的是火焰里的原子，不是溶液里的离子。只凭眼睛认焰色并不可靠：一点钠就能盖过别的颜色，锂、锶、钙都偏红，钾、铷、铯都显紫，铜可蓝可绿；看谱线的位置才可靠。铯的“天蓝”说的是它谱线的颜色，它的火焰看起来是紫的。烟花的颜色也来自发光，不是染料。
常见问题 · 5
- 焰色是金属的颜色，还是盐或火的颜色？
颜色来自金属，不来自盐的另一半，也不来自火。
02颜色属于金属 ↑- 分光镜是做什么的？
分光镜把火焰的光按波长分开。
05狭缝、棱镜、望远镜 ↑- 为什么一点钠就能盖过别的焰色？
钠的黄光又正好落在人眼很敏感的一段。
07黄色盖过一切 ↑- 铯这个名字是怎么来的？
1861 年，他们给它起名 Caesium（铯），取自拉丁文 caesius，古人用这个词说晴空的蓝。
08两条没人见过的蓝线 ↑- 为什么蓝色烟花最难做？
发蓝光的 CuCl 是一种脆弱的气体分子：火焰不够热，光太弱；太热，它就分解成发绿光的 CuOH 和 CuO，颜色被冲淡。
10天上的焰色 ↑
资料来源
- G. Kirchhoff、R. Bunsen（1860）：Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen，Annalen der Physik und Chemie 110（仪器、本生灯、谱线只属于金属、各元素的谱、检出量、预告新的碱金属）
- 同文英译：Chemical Analysis by Spectrum-observations，Philosophical Magazine 20（1860）
- G. Kirchhoff、R. Bunsen（1861）：同题第二篇，Annalen der Physik und Chemie 113（铯和铷：取材量、命名、谱线）
- R. Bunsen 致柏林科学院的通信，Monatsberichte 1860（第四种碱金属）
- R. Bunsen 致柏林科学院的通信，Monatsberichte 1861（Caesium 之名、第五种碱金属）
- G. Kirchhoff（1859/1860）：Ueber die Fraunhofer’schen Linien，Annalen der Physik und Chemie 109（太阳光穿过食盐火焰）
- 美国国家标准与技术研究院：原子光谱数据库（谱线波长、能级、跃迁概率）
- 美国国家标准与技术研究院：谱线表说明（相对强度不能跨元素比较）
- 美国国家标准与技术研究院：CODATA 2022 推荐值（h、c、e）
- 国际照明委员会（CIE）：明视觉光谱光视效率 V(λ)
- H. G. C. Human、P. J. Th. Zeegers（1975）：Molecular fluorescence of CaOH, SrOH and BaCl in flames，Spectrochimica Acta B 30
- R. W. B. Pearse、A. G. Gaydon（1941）：The Identification of Molecular Spectra（BaCl、SrCl、CuCl 的带头）
- J. Glück、T. M. Klapötke、T. Küblböck（2020）：Fine-Tuning: Advances in Chlorine-Free Blue-Light-Generating Pyrotechnics，Eur. J. Inorg. Chem.
- J. Glück（2018）：慕尼黑大学博士论文（烟火的发光体、钡）
- M. A. Duncan（2025）：Misconceptions and Insights about Flame Tests，J. Chem. Educ. 102（发光的是原子，不是溶液里的离子）
- OpenStax：Chemistry 2e，18.1 Periodicity（碱金属、碱土金属的焰色）
- 英国皇家化学会：Flame tests using metal salts
- 英国皇家化学会：Flame colours: a demonstration
- 英国皇家研究院：Christmas Lectures 2012 教学资料，第一族元素的焰色（铷、铯）
- A. I. Vogel：A Text-book of Macro and Semimicro Qualitative Inorganic Analysis，第 4 版（本生灯火焰、钠盖住钾、钴玻璃）
- J. E. M. Goldsmith（1990）：What makes the colors in candle flames?，Optics & Photonics News
- 美国国家公共电台（2013）：Exploding The Mystery Of Blue Fireworks（访谈 John Conkling）
- P. E. Smith（2019）：Red, white but rarely blue，The Conversation
- Schott F2 火石玻璃的色散公式（refractiveindex.info 转录的 Schott 数据）
- R. Bunsen、H. Roscoe（1857）：Photochemische Untersuchungen，Annalen der Physik und Chemie 100（煤气灯的原理和尺寸）
- 同文英文版：Photo-chemical Researches, Part I，Philosophical Transactions 147（1857），Plate XVIII
- W. B. Jensen（2005）：The Origin of the Bunsen Burner，J. Chem. Educ. 82（1855 年、Peter Desaga）
- 科学史研究所（费城）：Bunsen-Kirchhoff 式分光镜，藏品 2008.047.002（形制和尺寸）
- 科学博物馆集团（伦敦）：分光镜用的煤气灯和铂丝架，1880-225 Pt2
- W. Crookes（1861）：On the Existence of a New Element，Chemical News 3（铊的绿线和命名）
- F. Reich、Th. Richter（1863）：Vorläufige Notiz über ein neues Metall，Journal für praktische Chemie 89（铟的靛蓝线）
- J. N. Lockyer（1868）：Notice of an Observation of the Spectrum of a Solar Prominence，Proc. R. Soc. 17
- 英国科学促进会 1871 年会报告，主席致辞的脚注（Frankland 和 Lockyer 提议 Helium 之名）
数据
Line wavelengths, level energies and transition probabilities from the NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.12); the constants h, c and e are the exact CODATA 2022 values; the eye’s sensitivity V(λ) is the CIE 1931 photopic function (CIE 018:2019). The molecular bands in flames after H. G. C. Human and P. J. Th. Zeegers (Spectrochimica Acta B, 1975), R. W. B. Pearse and A. G. Gaydon (The Identification of Molecular Spectra, 1941) and J. Glück, T. M. Klapötke and T. Küblböck (Eur. J. Inorg. Chem., 2020). Flame colours after OpenStax Chemistry 2e, the Royal Society of Chemistry’s education pages, the Royal Institution and A. I. Vogel’s Qualitative Inorganic Analysis (4th ed.). The history after G. Kirchhoff and R. Bunsen, Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen (Annalen der Physik und Chemie 110, 1860, and 113, 1861), R. Bunsen’s letters to the Berlin Academy (Monatsberichte, 1860 and 1861) and G. Kirchhoff, Ueber die Fraunhofer’schen Linien (1859/1860); fireworks after J. Conkling (NPR, 2013), P. E. Smith (The Conversation, 2019) and J. Glück (dissertation, LMU Munich, 2018). The prism’s dispersion is computed for Schott F2 flint glass from its published Sellmeier formula; the photon energies and the comparison of brightness for the eye are computed here. The spectroscope on the board is this page’s model after the description of Steinheil’s instrument in Kirchhoff and Bunsen’s paper of 1861, in proportions from later instruments of the kind (Science History Institute, Science Museum Group), not a copy of a surviving instrument; the burner after Bunsen and Roscoe (1857). Material presets and the model kit as on the site’s other model plates (public/looks/CREDITS.md).
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引用这幅图版
拉普拉斯的迷你世界，图版 75《焰色与光谱》，https://world.lapla.si/zh/flame/，CC BY-NC 4.0，2026-11-01 更新。
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图版 36电子在哪里课本上常把电子画成绕着原子核转圈的小球。其实电子没有轨道，它更像一团云：我们只能说它在哪里出现的可能性大。
图版 11天上的帘幕极光是太空里飞来的电子，撞上高空的空气时发出的光。
