Почему пламя светится? Чем оно является с физической точки зрения?

Чем является пламя с физической точки зрения, мы уже отвечали ранее, это уже второй ваш вопрос по теме. А вот почему оно светится — не менее интересно. Если вкратце, то всему виной спонтанное излучение.

Природу спонтанного излучения можно объяснить следующим образом. Электрон — это носитель электрического заряда и он связан с электромагнитным полем. Когда электрон ускоряется, в поле возникают колебания, которые мы и называем фотонами. В составе атома электрон ускоряется при переходе на более низкий энергетический уровень. Это происходит, когда атом расслабляется до основного состояния либо теряет лишь часть своей энергии.

Атом, взаимодействуя с другим атомом, может получить дополнительную энергию. При этом она может выражаться в переходе одного или нескольких его электронов на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома называется возбужденным. Ионы (положительные ионы, или катионы) — это «перевозбудившиеся» атомы, они получили так много энергии, что один из их электронов вовсе отправился в свободное плавание.

В пламени, то есть, во фронте горения, присутствует множество возбужденных атомов. Они получили энергию активации для вступления в химические реакции или несут высвободившуюся в ходе этих реакций энергию. Вне зависимости от причины возбуждения, все атомы стремятся вернуться в свое основное состояние (с наименьшей энергией). Это может происходить спонтанно, однако чаще всего случается при столкновении с другими атомами — например, воздуха или прямо в пламени. В последнем случае это могут быть либо не до конца окисленные частицы топлива, либо иные примеси, для активации которых недостаточно тепла.

И при каждом таком событии перехода на более низкий энергетический уровень излучается фотон. Его энергия (длина волны) соответствует разнице между предыдущим и новым энергетическими уровнями. Этот фотон может попасть в другой атом и возбудить его, а может улететь прочь — его мы и увидим, как свет.

В плотных телах количество взаимодействующих друг с другом атомов на единицу объема так велико, что поток излучения особенно сильный. Это называется тепловым излучением.

Тепловое излучение — электромагнитное излучение широкого спектра, испускаемое всеми телами, имеющими температуру выше абсолютного нуля. В идеальном случае, когда объект находится в термодинамическом равновесии со средой и полностью поглощает любое излучение (не способен ничего отражать), его называют излучением абсолютно черного тела. Но в реальности идеальных случаев не бывает, только приближения. Поэтому тепловое излучение подчиняется нескольким простым правилам.

Во-первых, тепловое излучение тем интенсивнее, чем выше температура. Во-вторых, тепловое излучение имеет широкий спектр, но с ростом температуры его максимум смещается в коротковолновую часть. То есть, чем горячее тело, тем ярче и «белее» оно светится. В-третьих, тело излучает лучше в той части спектра, в которой хорошо поглощает и наоборот.

Получается, что спектр излучения пламени зависит от его состава. По большей части оно невидимо — лежит в инфракрасной части спектра. Видимое излучение складывается из теряющих энергию атомов газообразных продуктов горения и теплового излучения твердых частиц в пламени. А некоторые материалы горят так интенсивно, что могут светиться в ультрафиолете (короткие волны). На этом принципе основаны некоторые приборы обнаружения реактивных двигателей ракет и самолетов на больших дистанциях.

В заключение несколько наглядных примеров:

• Пламя свечи или керосиновой горелки ярко-желтое, потому что в нем много не до конца сгоревшего углерода (сажи), разогретого до 1200-1300 градусов. Небольшие сполохи голубого цвета у основания пламени — это окисленный водород (пар), отдающий энергию окружающему воздуху.
• Яркое пламя может иметь и другие цвета в зависимости от примесей в нем. Зеленые, зелено-голубые фейерверки содержат медь, марганец дает желто-зеленое пламя, магний — ярко-белый, фосфор — очень яркий сине-зеленый.
• Природный газ (метан) при избытке кислорода горит почти прозрачным голубым пламенем, потому что водород окисляется до водяного пара, а углерод — до углекислого газа. Первый излучает в голубой части спектра, второй в видимой части спектра не излучает совсем. Но если избытка кислорода не будет, то в пламени сразу появится яркий желтый компонент из-за не до конца окисленного углерода, который образует сажу и сияет от нагрева.

Предыдущий ответ можно прочитать по ссылке.