Warum können wir keine Gase sehen?

(Bildnachweis: Efram Goldberg)
[Anmerkung: Ampulle ganz links ist auf -196 °C gekühlt und von einer weißen Reifschicht bedeckt .]

$NO_2$ist ein gutes Beispiel für ein buntes Gas.$N_2O_4$(farblos) existiert im Gleichgewicht mit$NO_2$. Bei niedrigerer Temperatur (links im Wikipedia-Foto),$N_2O_4$wird bevorzugt, während bei höherer Temperatur$NO_2$wird bevorzugt.

Damit ein Gas Farbe hat, muss es einen elektronischen Übergang geben, der der Energie des sichtbaren Lichts entspricht.

$F_2$(hellgelb) ,$Cl_2$(hellgrün) ,$Br_2$(rötlich) und$I_2$(lila) sind weitere Beispiele für farbige Gase.

Eine vollständige Analyse, wie sichtbar oder unsichtbar ein Gas ist, würde die Dichte des Gases, die Länge des Lichtwegs, die Rayleigh-Streufunktion des Gases und die Absorptionskoeffizienten aller elektronischen Übergänge berücksichtigen, die für die Gasmoleküle oder -atome verfügbar sind den sichtbaren Bereich.

Zunächst einmal sind Gasmoleküle nicht unsichtbar. Es gibt viele Elemente, deren gasförmiger Zustand ziemlich farbig ist, aber diese (z. B. Jod) sind in so seltenen Mengen in der Atmosphäre vorhanden, dass der Nettoeffekt für das Auge nicht erkennbar ist. Als nächstes, wenn Sie nach „atmosphärischen Transmissionskurven“ googeln, werden Sie alle Arten von spektraler Absorption sehen, wieder mit Raten, die normalerweise mit Ihrem Auge nicht erkennbar sind.

Zufällig absorbieren oder reflektieren die vorherrschenden Spezies (Stickstoff, Sauerstoff, CO2 usw.) nicht wesentlich über das sichtbare Spektrum. Das ist teilweise (wenn auch nicht vollständig – dies wird eher eine biologische als eine physikalische Frage), warum unsere Augen in dem Bereich sehen, in dem sie es tun.

BEARBEITEN: auf Anfrage von @DavidRicherby hinzufügen: Diese Gase absorbieren nicht, weil sie keine Resonanzen oder Lücken in der Elektronenhülle haben - oder wie alle sagten, weil ihr Absorptionsquerschnitt klein genug ist, dass der Nettoeffekt nicht unterscheidbar ist unsere Augen

Wie viele Antworten gesagt haben; nicht alle Gase sind farblos, zum Beispiel ist Chlorgas hellgelb; Das ist eine gute Sache, da es sehr gefährlich ist.

Die Gase in unserer Atmosphäre sind also farblos. Aber das ist die völlig falsche Betrachtungsweise. Wenn unsere Augen mit Frequenzen arbeiten würden, die durch Gase in der Atmosphäre blockiert würden, würden sie nicht sehr gut funktionieren. Und das ist ein wichtiger Punkt, weil die Gase in unserer Atmosphäre nicht bei allen Frequenzen transparent sind. Dies ist zum Beispiel das Absorptionsspektrum von Wasserdampf:

^{reproduziert von http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water#Atmospheric_effects}

Wenn unsere Augen bei etwa 100 nm arbeiten würden, würden wir in einer sehr dunklen Welt leben, fast das gesamte Licht würde von der Atmosphäre absorbiert. Dasselbe, wenn sie bei 10 Mikrometern arbeiteten. Aber unsere Augen haben sich entwickelt, um das ihnen zur Verfügung stehende Licht zu nutzen; und dieses Licht war zwischen 400–700 nm; genau in der Mitte dieses Absorptionsabfalls (natürlich müssten Sie sich auch die Absorptionsspektren von Stickstoff und Sauerstoff ansehen, um ein vollständiges Bild zu erhalten).

Der Grund, warum wir gewöhnliche Gase nicht sehen können; weil die Evolution unsere Augen so optimiert hat, dass sie so funktionieren. Hätten wir uns in einer Atmosphäre entwickelt, die hauptsächlich aus Chlorgas besteht, würde ich wetten, dass wir uns immer noch fragen würden: "Warum können wir keine Gase sehen?" und jemand würde Gegenbeispiele dafür finden, wie die (auf ihrer Welt) Edelgase Wasserdampf, Sauerstoff und Stickstoff sichtbar waren.

Einige Gase sind tatsächlich sichtbar (zB Stickstoffdioxid). Die Luft ist unsichtbar, weil ihre Moleküle das sichtbare Licht nicht absorbieren. Diesen Molekülen stehen einfach keine nützlichen Schwingungsmodi zur Verfügung, um diese Wellenlängen zu absorbieren, oder die Elektronen in ihren Orbitalen können die Frequenzen des sichtbaren Lichts nicht nutzen, um sich in höhere Orbitale zu bewegen (die Energieunterschiede entsprechen nicht dem sichtbaren Licht).

In einem anderen Teil des elektromagnetischen Spektrums könnte die Luft sichtbar sein.

Einer der Gründe, warum die Augen im "sichtbaren" Spektrum empfindlich wurden, ist, dass Luft dort nicht absorbiert. Sonst wären die Augen nutzlos: Sie würden nichts als Luft sehen. Unsere Augen können uns nur dann sagen, was um uns herum passiert, wenn sie den Teil des Spektrums nutzen, in dem Luft nichts absorbiert.

Ein zu beachtender Faktor ist, dass bei einem Material mit geringer Dichte und relativ schwachen Wechselwirkungen mit Licht die Gesamtmasse der Säule, die das Licht durchdringt, einen großen Unterschied in der wahrgenommenen Farbe ausmacht. Wenn Sie beispielsweise eine weiße Badewanne mit Wasser füllen, werden Sie feststellen, dass eine zentimetergroße Wassersäule aus dem Wasserhahn (oder aus Ihrem Wasserglas) transparent ist, während die dezimetergroße Säule am Boden der Wanne transparent ist deutlich blau.

Den gleichen Effekt sieht man, wenn man aus einigen Dutzend Kilometern Entfernung auf einen grünen oder braunen Berg blickt: Die Grün- und Brauntöne werden durch die blaue Farbe der vielen Tonnen dazwischenliegender Luft ausgewaschen.

Warum sind Flüssigkeiten unsichtbar? Und warum sind Gase wie silberne Kleckse? (...fragt eine Kreatur, die ihr ganzes Leben unter Wasser verbracht hat.)

Gase sind durchsichtig, nicht unsichtbar. Das Leben auf dem Grund eines „Ozeans aus Luft“ kann bestimmten luftatmenden Organismen einen verzerrten Blickwinkel geben.

Wenn wir unser Leben im Vakuum verbringen würden, würden wir denken, dass sowohl Luft als auch Wasser transparente Flüssigkeiten sind. Wir würden feststellen, dass Luft Licht viel weniger beugt als Wasser. In einer Vakuumumgebung würde sich ein klarer Luftbeutel im Vergleich zu einem klaren Wasserbeutel weniger wie eine Linse verhalten.

Tatsächliche Demonstration im Klassenzimmer: Holen Sie sich ein Aquarium voller Wasser. Füllen Sie einen Wasserballon. Halten Sie nun den Ballon in das Aquarium getaucht und lassen Sie das Wasser ab. Sehen Sie etwas? Nö. Dies beweist offensichtlich, dass Wasser unsichtbar ist. :) Und wenn wir eine gasgefüllte Umgebung hätten und dann den Inhalt eines gasgefüllten Ballons freisetzen, könnten wir uns selbst beweisen, dass Gas unsichtbar ist. Nein? Wir sind Luftfische, leben auf dem Grund des Stickstoffozeans und sind fest davon überzeugt, dass Gas ein unsichtbares Material ist.

Hier ist noch eine andere Perspektive: Angenommen, Sie sind etwa 1000 km groß. Sie bücken sich, legen Ihre Hände zusammen und schöpfen etwas von der Erdatmosphäre. Heben Sie es hoch in das Vakuum. Es sieht aus wie durchscheinender hellblauer Rauch! Der KM-tiefe Luftsee in Ihren Händen macht Ihre Handflächen etwas schwer zu sehen. Gießen Sie es erneut aus, und während es fällt, bildet es eine leuchtend himmelblaue Wolke gegen die Schwärze des Weltraums. Offensichtlich ist Luft alles andere als unsichtbar.

Gas kann enorm sichtbar sein. Die Sonne besteht vollständig aus Gas und ist völlig undurchsichtig. Innerhalb des Sonnenlichts legen Lichtteilchen (Photonen) nur Zentimeter (in der Tiefe) bis Kilometer (näher an der Oberfläche) zurück, bevor sie absorbiert werden. Nicht wirklich anders als andere "Partikel" des lokalen Gases. Sie können also bei Licht nicht in die Sonne sehen (Sie können akustische Wellen als Untergrunddiagnose verwenden, aber das ist eine andere Geschichte).

Was wir "die Sonnenoberfläche" nennen, ist die Schicht weit draußen, wo das Gas dünn genug wird, um transparent zu werden. Dort entweichen die Photonen als Sonnenlicht. Das Gas dort ist tatsächlich viel weniger dicht als die transparente Luft um uns herum, weil es aus fast reinem Wasserstoff besteht (was es für sichtbares Licht ziemlich undurchlässig macht, wenn genügend Wasserstoffatome ein zusätzliches (zweites) Elektron aufnehmen, ein Prozess, der erst in den 1940er Jahren verstanden wurde ).

Ein kleiner Bruchteil des sehr kleinen Bruchteils, der zufällig auf die Erde trifft, wird in unserer Atmosphäre verstreut; diejenigen, die zufällig auf Ihr Auge prallen, bilden den blauen Himmel, den Sie sehen. Blau nicht, weil sie ihre Energie (Farbe) ändern, nur weil mehr Photonen im Blau gestreut werden als im Rot - also zeigt die Sonne bei Sonnenuntergang Rot, weil mehr Blau den direkten Weg zu Ihrem Auge verlassen hat.

Die Frage ist gut, weil uns die Intransparenz von Gasen kontraintuitiv erscheint. Aus diesem Grund ist "Strahlungstransport in Sternatmosphären" ein fortgeschrittenes Thema in Astrophysik-Kursen. Das Licht, das von Sternen ausgeht, ist unsere wichtigste Diagnose, um sie zu verstehen, aber die Interpretation dieses Lichts erfordert eine gute Einschätzung der Intransparenz des Sterngases. Google dieses Thema und lies meine Vorlesungsunterlagen ...

Sichtbarkeit ist subjektiv

Sichtbarkeit ist subjektiv, man braucht einen Beobachter .

Du hast nach der Geschichte gefragt. Es beginnt mit unseren frühesten Vorfahren, die Sensoren entwickelten, die auf elektromagnetische Strahlung empfindlich reagierten.

Welche Art von Sensoren und welche Art von Strahlung? Was auch immer einen Unterschied gemacht hat.

Am Anfang? Welche Strahlung auch immer verfügbar war, was auch immer die Atmosphäre mit ausreichender Energie durchdrang, um die Erdoberfläche zu erreichen.

Als sich die Atmosphäre veränderte, passten sich auch die Sensoren an die durchdringende Strahlung an.

Im Laufe der Zeit entwickelten sich diese Sensoren zu Augen. Wie bei vielen anderen Arten auch.

Hier musste ich einfach eingreifen!

In der Erweiterung Ihrer Frage fragen Sie das

Ich bin mir nicht sicher, was dazu führt, dass Gasmoleküle unsichtbar sind

Nun, alle "Moleküle" sind für unsere Augen unsichtbar, wir haben nur nicht das Auflösungsvermögen, um sie zu sehen, wenn Sie ein Rasterkraftmikroskop haben, können Sie sie so sehen

Sie können jedoch im Allgemeinen viele Gase sehen, wie @DavePHD deutlich gezeigt hat!

Wenn Sie noch davon sprechen wollen, dass Sie so ziemlich alle Festkörper oder Flüssigkeiten sehen können und nicht alle Gase, dann müssen Sie sich die Leute ansehen, die sich in Spiegel oder Gläser schlagen, da auch diese für uns bei verschiedenen Gelegenheiten unsichtbar werden.

Während so ziemlich alle Feststoffe und Flüssigkeiten so organisiert sind, dass sie zumindest Licht reflektieren, sind Gase zu stark gestreut, um dies zu tun! Die einzige Eigenschaft, die es Gasen ermöglicht, sichtbar zu werden, ist die Absorption oder Emission von Photonen, wenn während der Absorption das komplementäre Licht im sichtbaren Bereich ist, können wir das Gas sehen, und wenn das emittierte Licht im sichtbaren Bereich ist, können wir es sehen, ansonsten können wir es nur nicht mit unseren Augen!

Denken Sie im letzten Absatz nicht an Nebel oder andere Dinge, die wie Gase aussehen, und sagen Sie, dass diese reflektieren! Da spielen noch andere Phänomene mit und außerdem ist Nebel kein Gas! Reflexion an Gasen findet nur statt, wenn es unrein und eher kolloidaler Natur ist, da Rauch durch die Schadstoffpartikel schwarz/grau/weiß aussieht!

Die Antwort hat eine biologische Komponente. Tatsächlich wählt die Umwelt die Eigenschaften aus, die die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass eine Art ihre Gene erfolgreich an zukünftige Generationen weitergibt. Wenn sich auf dieser Grundlage ein Sinn wie das Sehen in einer Spezies entwickelt, wird er sich auf eine Weise entwickeln, die die Nützlichkeit dieses Sinns maximiert. Für die Erdatmosphäre sind die Augen verschiedener Arten auf die spezifischen Wellenlängen des Lichts „abgestimmt“, die nicht von der Atmosphäre absorbiert werden, da diese Wellenlängen diesen Arten die meisten Informationen über ihre Umgebung geben und daher ihre Fortpflanzungschancen erhöhen.