火树银花千年灿！打铁花里藏着多少科学密码？| 科学世界·热点

打铁花是拥有千余年历史的非物质文化遗产，一说起源于北宋祭祀。当表演者将高温熔化的铁水用力击打向夜空的瞬间，铁水如流星般划过，瞬间迸射出万朵金花，将整个夜空照得如同白昼。

打铁花作为古代铸铁业工匠祭祀祈福的活动形式，一说始于北宋，甚至可以追溯到更早的春秋战国时期。被尊为道教祖师的太上老君也被冶铸行业尊为祖师，因此打铁花的民俗中融有深厚的道教文化。按照最传统的技艺，表演现场依五行八卦之理筑起几米高的花棚，棚顶铺满新鲜柳枝，枝条上绑满烟花爆竹。表演者一手持上棒，棒上凹槽盛满铁水；另一手持下棒，向上击打。铁水飞起，触及棚顶柳枝迸溅四散，在空中划过万道光芒，绽放无数金花。同时引燃爆竹，令现场愈发热烈。

打铁花蕴含着哪些科学原理？

首先要将铁从固态转化为液态。纯铁的熔点高达1535℃，而表演用的铁水一般为1600～1800℃。之所以要将铁熔化为液态，是因为在表演过程中需要让它分散开。分散的过程伴随着新表面的形成，这需要克服表面形成能。由于液体具有流动性，可以通过变为球形降低形成新表面的面积，使液态的铁更容易分散开。为了降低表面能而体现在液滴表面的应力，正是我们所熟悉的表面张力。

接下来是击打与飞溅的过程。打铁花的过程中需要将铁水打得又高又散，这不仅要求表演者挥动下棒时拥有足够的力度，而且要较精准地打在上棒盛有铁水的凹槽处。这样可以让铁水获得较大的初始速度。铁水在击打、空气中飞行及与交错的柳枝碰撞时，复杂的受力会让其克服表面张力分散成无数细小的液滴，并朝着不同的方向飞散。每个液滴虽然初始温度很高，但是由于足够小、含有的热量非常有限，又有较大的比表面积可以较快地向周围环境传热，因此一般不会在落下后烫伤表演者。当然，如果没有经过专门训练，击打时力度或准确度不够，就可能被烫伤。

铁水，为什么能变成 “花”？

首先，任何高于0K的物体都会不停地向周围空间发出热辐射。普朗克定律告诉我们，物体热辐射最主要的波长与其温度成反比，如在常温区的物体一般辐射不可见的红外光。因此金属铁在不同温度区间主要辐射不同波段的光，从而表现为不同的颜色，例如，在600～800℃呈红色，900～1200℃呈黄色，1300℃以上则呈白色。此外，铁水组成的液滴还会发生燃烧反应。期间，细小液滴表面的铁原子与空气中的氧气充分接触，并在固有的高温下发生剧烈的燃烧反应、伴有放热，生成三氧化二铁（Fe2O3）及氧化亚铁（FeO）。由于反应放热也会加热液滴，使其维持高温、呈现金黄甚至白亮的视觉效果。同时，由于铁水中一般溶有一定比例的碳，它可以与铁的氧化物反应生成二氧化碳气泡。这些气泡可以合并、破裂，令每个细小的液滴进一步炸开，这样便呈现出火树银花的精彩瞬间。

同样是 “玩火”，打铁花和烟花有啥不一样？

究其根源，在于导致发光的原理不同。打铁花是靠高温时的热辐射发出的黄白的光，这是一种波长连续的发光。而烟花则是靠焰色反应发光的。烟花的核心成分是黑火药，包括硫磺（S）、木炭（C）和硝酸钾（KNO3），三者被引燃后产生气体、剧烈膨胀从而发生爆炸，并伴有强烈放热。对于一种特定的金属元素，会拥有独特的电子能级结构，在接收能量后电子会在这些能级之间跃迁，火药成分中的钾离子会发出紫色光。然而硝酸钾中往往混有硝酸钠，钠离子发生焰色反应会发出黄光，掩盖前者的紫色光，因此古代的烟花一般呈现黄色。现代的烟花会掺入更多金属盐实现丰富的颜色，比如，钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）盐分别可以呈现橙红、红色和绿色。此外烟花中还可能掺入镁（Mg）或者铝（Al）的粉末作为发光剂提高亮度，其原理与打铁花类似，都是金属燃烧放热后处于高温状态的热辐射。

可见，火树银花的背后，既是跨越千年的文化传承，又闪烁着科学的极致浪漫。

本文摘编自杂志2025年第3期，文章内容略有删改。

实习编辑 | 张佳慧