В отдалении раздается приглушенный взрыв и в ночное небо выбрасывается сноп желто-оранжевых искр, заканчивающийся в верхней части шаровидной вспышкой из сверкающих нитей синего и зеленого цвета. Следующая вспышка рождает неровную дугу из красных лент с ливнем белых и золотистых искр. Третья образует лавину ярких белых молний и сопровождается громоподобным шумом. Подобные зрелища в течение нескольких веков были обычным явлением во время крупных праздников. До недавнего времени создание и составление фейерверков было скорее ремеслом, нежели наукой. Лишь в последние десятилетия исследователи начали раскрывать физические процессы, лежащие в основе ярких цветов и других специальных эффектов. В результате этих исследований появилась новая научная дисциплина - пиротехника, или "наука о горении". Пиротехника затрагивает не только создание фейерверков, но и ряд разнообразных устройств, в которых применяются аналогичные материалы, например, сигнальные ракеты, обыкновенные спички и даже твердотопливные ускорители космического шаттла.

В современных снарядах для фейерверков продолжает использоваться старейший пиротехнический состав - черный порох, одновременно выполняющий функции метательного и взрывчатого вещества. Черный (или дымный) порох был изобретен в Китае более 1000 лет назад с целью использования его в простейших ракетах и шутихах. В средние века сведения о черном порохе постепенно распространились на Запад. В 1242 г. английский монах Роджер Бэкон раскрыл формулу взрывчатой смеси в качестве зашиты от обвинений в колдовстве. Он счел эту смесь настолько опасным веществом, что зашифровал ее состав. По мере того как формула черного пороха становилась все более широко известной, происходили революционные изменения в строительстве и горнодобыче. В XIV в. были созданы такие виды оружия, как мушкеты и пушки, в которых в качестве метательною вещества применялся черный порох.

Формула черного пороха по существу не претерпела изменений на протяжении веков: это известная смесь нитрата калия (широко известной калиевой селитры), древесного угля и серы в отношении 75:15:10 по весу. По-видимому, черный порох остается практически единственным химическим изделием, в котором сегодня применяются такие же компоненты, в такой же пропорции и который изготавливается по такой же технологии, как и во времена Колумба. Это завидное постоянство отражает тот факт, что порох является почти идеальным пиротехническим составом. Он состоит из имеющихся в изобилии недорогих химических веществ, сравнительно неядовитых и устойчивых к воздействию внешней среды. Смесь настолько стабильна, что ее можно хранить десятилетиями, не опасаясь разложения, если содержать сухой. Черный порох легко воспламеняется при помощи малых количеств энергии, например от искры или небольшого дистанционного взрывателя.

Так уж сложилось исторически, что на Западе в производстве, связанном с созданием фейерверков, доминировали лишь несколько фамилий. Подробности технологии, например, рецептура и методы смешения, сохранялись в глубокой тайне и передавались по наследству из поколения в поколение. Эти имена и сейчас продолжают играть главную роль в пиротехнической индустрии. Например, в США, это - Груччи из Белпорта (шт. Нью-Йорк), Замбелли из Нью-Касла (шт. Пенсильвания), Роцци из Лов-ленда (шт. Огайо) и Соудза из Риаль-то (шт. Калифорния). Одним из следствий фамильной секретности было то, что до недавнего времени фундаментальные пиротехнические исследования проводились чрезвычайно редко, и результаты их, как правило, не публиковались в научных журналах.

Пиротехнический процесс в принципе не отличается от обычного горения. В состав пиротехнической смеси входят источник кислорода (окислитель) и горючее вещество (восстановитель). Они представляют собой обычно отдельные твердые химические реагенты, которые должны быть механически смешаны. При нагревании происходит реакция с обменом электронами, или, иначе, окислительно-восстановительная реакция.

В ходе ее атомы горючего теряют электроны, которые переходят к атомам окислителя. Атомы горючего связываются с освобождающимися окислителем атомами кислорода, образуя стабильные продукты реакции. Поскольку новые химические связи характеризуются более высокой стабильностью, в ходе реакции выделяется энергия в форме тепла; аналогичный процесс имеет место при горении. Однако в этом случае кислород поступает из воздуха. Пиротехническая же смесь содержит кислород в себе самой, поэтому выделение тепла строго ограничено.

Пока пиротехническая смесь остается холодной и сухой, она, как правило, очень стабильна. Твердая смесь реагирует очень медленно по поверхности, причем скорость реакции определяется диффузией. При воспламенении смесь начинает переходить в жидкое и затем, в газообразное состояние в пиротехническом пламени, в результате чего горючее и окислитель перемешиваются. Такое смешение двух указанных компонентов ускоряет реакцию и в свою очередь еще сильнее усиливает процесс выделения энергии.

В пиротехнике применяются различные горючие вещества. В состав многих смесей входят органические углеродсодержащие материалы, такие, как древесный уголь (используемый в снарядах для фейерверков и в дымном порохе) и сахар (в дымовых гранатах). Прочие широко распространенные горючие вещества содержат неметаллические элементы, такие, как сера, кремний и бор. При окислении кремния и бора выделяется большое количество тепла и не образуются газообразные продукты. Эти вещества применяются во взрывателях замедленного действия для поджига других составов в заданное время. Химически активные металлы, чаще всего алюминий, магний и титан, горят при высоких температурах, испуская яркий свет. Они начали применяться в фейерверках в XIX в. и заметно улучшили их зрелищность.

Наиболее известным пиротехническим эффектом фейерверка являются "брызги" света. Их цвет зависит от длины волны излучения. Видимый свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм (1 нм = 10-9 м). Свет с наибольшей длиной волны воспринимается глазом как красный, а свет с наименьшей длиной волны - как фиолетовый. Светящийся объект виден как белый, если излучает во всем видимом спектре. Если большая часть световой энергии излучается в пределах узкой полосы длин волн, то цвет такого излучения будет соответствующим данному участку спектра.

Пиротехнические составы излучают свет при трех основных процессах: температурном свечении (тепловое излучение абсолютно черного тела), атомарном излучении и молекулярном излучении. Температурное свечение имеет место в случае с нагреванием в пламени твердых тел или жидких частиц до высоких температур. Горячие частицы излучают в широком спектре, освобождаясь при этом от избыточной энергии. Чем выше температура, тем короче длина волны излучаемого света. Интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени температуры пламени, поэтому незначительное повышение температуры приводит к резкому усилению яркости.