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春节临近，总让人想起王安石那首名垂青史的《元日》：爆竹声中一岁除，春风送暖人屠苏。千门万户瞳瞳日，总把新桃换旧符。其实，爆竹声中还隐藏着我国古代劳动人民智慧结晶的化学“秘方”。

01爆竹演变小史

我国古代一年到头都是工作日，没有西方的礼拜之说。所以唐宋时有很多民间节日，这是劳动人民用来休息放松的主要时间。西方文化以神为本，一到周日，拒绝劳作，强调神人共休；东方文化以人为本，节假日的目的是为了休人不休神。鞭炮的发明，大概就是人们用来闹神的一种工具了。人们除了辞旧迎新在春节燃放爆竹外，每逢重大节日及喜事庆典，诸如元宵节、端午节、中秋节及婚嫁、建房、开业等，亦要燃放爆竹以示庆祝和吉祥之意。

南北朝时期的《荆楚岁时记》载：正月一日，鸡鸣而起，先于庭前爆竹，以避山臊恶鬼。据汉代《神异经》说，古时候，人们途经深山露宿，晚上要点篝火，一为煮食取暖，二为防止野兽侵袭。然山中有一种动物既不怕人又不怕火，经常趁人不备偷食东西。人们为了对付这种动物，就想起在火中燃爆竹，用竹子的爆裂声使其远遁的办法。这里所说的动物，名叫“山臊”。古人说其可令人寒热，是使人得寒热病的鬼魅，吓跑山臊，即驱逐瘟邪，才可得吉利平安。

《神异经》对山臊的描述（图片来源：bilibili视频截图）

到了唐初，瘟疫四起，湖南醴陵县人李畋，把硝石装在竹筒里，点燃后使其发出更大的声响和更浓烈的烟雾，结果驱散了山岚瘴气，制止了疫病流行。这便是装硝爆竹的最早雏形。以后火药出现，人们将硝石、硫黄和木炭等填充在竹筒内燃烧，产生了“爆仗”。到了宋代，民间开始普遍用纸筒和麻茎裹火药编成串做成“编炮”（即鞭炮）。

关于爆竹的演变过程，清代《通俗编·排优》记载道：“古时爆竹。皆以真竹着火爆之，故唐人诗亦称爆竿。后人卷纸为之。称曰“爆竹”。爆竹声响是辞旧迎新的标志、喜庆心情的流露。春节的爆竹声也烘托出过年的喜庆气氛。

02 火药：制作爆竹的“灵魂”

自从李约瑟提出中国的四大发明之后，火药作为四大之一而名扬海内外。爆竹的主要成分是黑火药，含有硫磺、木炭粉、硝酸钾，有的还含有氯酸钾，外部用强力纸包裹。爆竹的燃放效果，主要取决于各种成分的比例和外面包裹材料的结实程度。从火灾科学的观点来看，火药是一种自带氧化剂的燃料，可以不需要氧气而从固体燃料直接反应生成气体的产物，避免了普通燃料必须先释放气相燃料，再点火燃烧的过程，因此比较迅速，几乎是在瞬间内体积膨胀一千倍左右。不过，如果包裹材料不结实，就会拉长反应时间，降低发出的爆破声音。

一般火灾的发生，需要传热到固体燃料表面，释放气相燃料，气相燃料点火，反馈回燃料表面，直到稳定的燃烧反应建立为止。而燃烧速度的大小，取决于氧气渗透到气相燃料位置的速率。渗透快，则反应快，如高压氧舱内失火是非常危险的，因为氧气保证燃烧的加速进行。火药的发现，就是把氧化剂和燃料放在一起，取消了化学反应的速度制约，所以能够产生瞬时的压力，用来推动弹药（如枪械）或爆炸（如爆竹）。

要让爆竹达到预期的效果，首先是燃料氧化剂比例合适，没有多余的材料。如果氧化剂或燃料过量，那么过量的部分就吸收热量而没有贡献，所以能量释放减低。其次，要包裹严实，才能产生预期的爆炸力。没有包装（规矩），爆竹不过是快速燃烧，就没有惊人的爆发效果了。最后，要保持干燥。水是最方便的阻燃剂，火药遇水就熄灭或根本点不着了。

03 火药配方中的证据挖掘

李约瑟博士通过对整个火药史的研究，得出结论：火药中硝的成分是逐渐增加的，很可能最初硝、硫、炭的比例相等，或硝的比例还少一些，越到后来，火药的威力越强，燃烧速度越来越快，最后硝的成分逐渐上升到75%或80%。这是理论上的最佳数量。

为了论证这一点，他与他的合作者说服英国皇家军备研制局专门配制了一些火药，含硝量在20%~90%之间。然后，他们去研制局所在地肯特郡的海思戴德堡（fort healthstead of kent），把这些火药逐个点燃来观察爆炸效果，验证古书上的演化趋势。

李约瑟设法把历史文献记载中的火药不同成分整理出来，用图表进行比较观察。从宋代《武经总要》、明代《火龙经》及十四、十五世纪以前中国更早的古籍记载中发现，硝、硫、炭的成分平衡点散在表上各处，表明当时还在进行各种不同配方的试验，后来的配方也围绕在硝（氧化剂）的成分为75%左右。

从早期阿拉伯及欧洲记载中，发现这种平衡点一律集中在硝的成分为75%的中心附近，似乎阿拉伯人和欧洲人一开始就知道该怎样配制最佳的火药了。这说明，火药是由中国传入西方的，在火药知识传入欧洲的同时，基本配方的知识也同时传入了欧洲。西方人在十三世纪以前还不知道硝石为何物，而中国早在850年出版的《真元妙道要略》就记载以硝石、硫黄和木炭制成火药混合物，1044年的《武经总要》更给出最早的军用火药配方。李约瑟博士用严谨的实验设计证明了中国古人对火药的原创和发展过程，值得后人学习和借鉴。

有道是，爆竹声中一岁除，欢乐处处防回禄；氧化燃料多危险，庆祝不忘大安全。春节临近，全国各地的烟花爆竹管控政策陆续出台，大家一定要严格遵守当地的管控政策，度过一个安全、喜乐的春节。最后，祝大家龙年大吉、万事如意。

作者：麻庭光 上海应用技术大学城市建设与安全工程学院 副教授

出品：科普中国

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