Heeft een vlam ook een schaduw?

Op tafel staat een kaars te branden. Je schijnt met een zaklamp op de kaars, richting de muur erachter. Je ziet dan op de muur de schaduw van de kaars. Danst daar dan ook een schaduwvlammetje boven?

Als je met een zaklamp dwars op de bundel van een andere zaklamp schijnt, zul je daarvan geen schaduw op de muur zien. De beide lichtbundels gaan dwars door elkaar heen en beïnvloeden elkaar niet. Heel anders dus dan als je twee waterstralen laat botsen: dan sprietst het water alle kanten op. Watermoleculen botsen namelijk met elkaar. Licht bestaat daarentegen uit fotonen, en die gaan dwars door elkaar heen, met hun wonderlijke quantummechanische eigenschappen: ze hebben geen massa en geen lading; het zijn zowel golven als deeltjes.

(Hun golfeigenschappen kunnen weliswaar met elkaar interfereren, waarbij ze elkaar versterken of juist uitdoven, maar dat zie je alleen onder bijzondere nano-omstandigheden. Bijvoorbeeld met een ‘tralie’ – of in de wand van een zeepbel).

Fotonen botsen dus niet met elkaar. Gaan de stralen van de zaklamp dan ook dwars door de kaarsvlam heen? Grotendeels wel. Het licht van de zaklamp botst immers niet met het licht van de vlam. Maar een vlam bestaat niet puur uit licht. Hij bestaat uit deeltjes die licht uitzenden omdat ze zo heet zijn.

Verdampend kaarsvet

Een vlam is de zichtbare manifestatie van de verbranding van brandstof: kaarsvet reageert met zuurstof in de lucht. Daarbij komt energie vrij in de vorm van warmte en licht.

Die verbranding is een kettingreactie die je in gang moet zetten door een ontsteking, oftewel door even veel energie toe te voegen. Bij een kaars doe je dat met een brandende lucifer, die de lont aansteekt. De vlam van de lont laat kaarsvet verdampen. De gasvormige brandstof reageert nu vanzelf met zuurstof en daarbij komt nieuwe warmte vrij, die meer brandstof doet verdampen, enzovoort.

Er komt dus ook licht vrij, in verschillende kleuren. Het blauwe licht, aan de basis van de vlam en in een flinterdun schilletje om de hele buitenkant ervan, is het heetst: vaak wel zo’n 1.400 graden Celsius. Hier is veel zuurstof beschikbaar en daardoor is de verbranding heel efficiënt. Daarbij ontstaat zoveel hitte dat gasmoleculen in een ‘aangeslagen toestand’ komen: ze hebben even een hogere energie dan normaal. Zodra ze weer terugvallen in hun normale toestand, geven ze die energie weer af in de vorm van licht.

Een groot deel van de vlam is echter minder heet, en geeloranje. Dit komt doordat de verbranding in het midden van de vlam onvolledig is vanwege zuurstofgebrek. Er ontstaan niet alleen koolstofdioxide en waterdamp, maar ook microscopisch kleine roetdeeltjes. Die bestaan vooral uit koolstof en zijn zo heet dat ze geeloranje licht uitstralen.

Die vaste roetdeeltjes, plus de nog onverbrande moleculen van het gasvormige kaarsvet, houden het licht van je zaklamp een heel klein beetje tegen. Als je goed kijkt naar de schaduw van de kaars op de muur, zie je dus boven de lont – héél flets – een spookachtige schaduwvlam.

Zelfs bij een vlam van schoon aardgas ontstaat altijd wat roet. Alleen een waterstofvlam zal geen schaduw hebben – en ook de vlam zelf is vrijwel onzichtbaar. Bij die verbranding komt namelijk alleen waterdamp vrij: er zit geen koolstof in de brandstof.