Почему мы не видим газы?

(Фото предоставлено Эфрамом Голдбергом)
[Примечание : крайняя левая ампула охлаждена до -196°C и покрыта белым слоем инея .]

$NO_2$является хорошим примером красочного газа.$N_2O_4$(бесцветный) существует в равновесии с$NO_2$. При более низкой температуре (оставлено в Википедии фото),$N_2O_4$предпочтительнее, а при более высокой температуре$NO_2$является предпочтительным.

Чтобы газ имел цвет, должен быть электронный переход, соответствующий энергии видимого света.

$F_2$(бледно-желтый) ,$Cl_2$(бледно-зеленый) ,$Br_2$(красноватый) и$I_2$(фиолетовый) — другие примеры цветных газов.

Полный анализ того, насколько газ видим или невидим, будет учитывать плотность газа, длину пути света, функцию рассеяния Рэлея газа и коэффициенты поглощения любых электронных переходов, доступных для молекул газа или атомов в видимый диапазон.

Во-первых, молекулы газа не невидимы. Существует множество элементов, чье газообразное состояние весьма окрашено, но они (например, йод) находятся в атмосфере в таких редких количествах, что общий эффект не заметен глазу. Затем, если вы введете в Google «кривые атмосферного пропускания», вы увидите все виды спектрального поглощения, опять же со скоростью, которая обычно не различима вашим глазом.

Так случилось, что более распространенные виды (азот, кислород, CO2 и т. д.) не поглощают и не отражают значительно в видимом спектре. Отчасти (хотя и не полностью — это становится скорее биологическим, чем физическим вопросом) именно поэтому наши глаза видят в том диапазоне, в котором они видят.

РЕДАКТИРОВАТЬ: по запросу @DavidRicherby добавление: эти газы не поглощают, потому что у них нет резонансов или промежутков электронной оболочки, чтобы соответствовать - или, как все говорят, потому что их поперечное сечение поглощения достаточно мало, чтобы чистый эффект не различим наши глаза

Как было сказано во многих ответах; не все газы бесцветны, например газообразный хлор бледно-желтый; что хорошо, так как это очень опасно.

Итак, газы в нашей атмосфере бесцветны. Но это совершенно неверный взгляд на это. Если бы наши глаза работали на частотах, блокируемых атмосферными газами, они бы работали не очень хорошо. И это важный момент, потому что газы в нашей атмосфере не прозрачны на всех частотах. Например, это спектр поглощения водяного пара:

^{воспроизведено с http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorbction_by_water#Atmospheric_effects}

Если бы наши глаза работали на длине волны около 100 нм, мы бы жили в очень темном мире, почти весь свет поглощался бы атмосферой. То же самое, если бы они работали на 10 микрометрах. Но наши глаза эволюционировали, чтобы использовать доступный им свет; и этот свет был между 400-700 нм; прямо в середине этого падения поглощения (очевидно, вам нужно посмотреть на спектры поглощения азота и кислорода, чтобы получить полную картину).

Итак, причина, по которой мы не можем видеть обычные газы; потому что эволюция оптимизировала наши глаза, чтобы они работали таким образом. Если бы мы эволюционировали в атмосфере, состоящей в основном из газообразного хлора, я бы держал пари, что мы бы до сих пор спрашивали: «Почему мы не можем видеть газы?» и кто-нибудь привел бы встречные примеры того, как (в их мире) были видны редкие газы, водяной пар, кислород и азот.

Некоторые газы действительно видны (например, двуокись азота). Воздух невидим, потому что его молекулы не поглощают видимый свет. Эти молекулы просто не имеют полезных мод колебаний, доступных для поглощения этих длин волн, или электроны на их орбитах не могут использовать частоты видимого света для перехода на более высокие орбитали (различия в энергиях не соответствуют видимому свету).

В какой-то другой части электромагнитного спектра воздух мог быть виден.

Одна из причин, по которой глаза стали чувствительными в «видимом» спектре, состоит в том, что там воздух не поглощает. Иначе глаза были бы бесполезны: вы не видели бы ничего, кроме воздуха. Наши глаза могут сказать нам, что происходит вокруг, только если они используют ту часть спектра, где воздух не поглощает.

Один фактор, о котором следует помнить, заключается в том, что для материала с низкой плотностью и относительно слабым взаимодействием со светом общая масса столбца, через который проходит свет, будет иметь большое значение для воспринимаемого цвета. Например, если вы наполните белую ванну водой, вы заметите, что сантиметровый столбик воды из-под крана (или из вашего стакана) прозрачен, а дециметровый столбик на дне ванны прозрачен. отчетливо синий.

Вы можете увидеть тот же эффект, если посмотрите на зеленую или коричневую гору с расстояния в несколько десятков миль: зеленые и коричневые цвета размываются синим цветом многих тонн промежуточного воздуха.

Почему жидкости невидимы? И почему газы похожи на серебристые капли? (...спрашивает существо, всю жизнь проведшее под водой.)

Газы прозрачны, не невидимы. Жизнь на дне «воздушного океана» может дать некоторым дышащим воздухом организмам искаженную точку зрения.

Если бы мы провели жизнь в вакууме, то подумали бы, что и воздух, и вода — прозрачные жидкости. Мы бы заметили, что воздух искривляет свет гораздо меньше, чем вода. В вакууме прозрачный мешок с воздухом будет вести себя не так, как линза, по сравнению с прозрачным мешком с водой.

Реальная демонстрация в классе: наполните аквариум водой. Наполните водяной шар. Теперь держите воздушный шар погруженным в аквариум и дайте ему выпустить воду. Вижу ничего? Неа. Это, очевидно, доказывает, что вода невидима. :) А если бы у нас была газонаполненная среда, а потом выпустить содержимое наполненного газом баллона, то мы смогли бы доказать себе, что газ невидим. Нет? Мы — воздушные рыбы, живущие на дне азотного океана и твердо убежденные в том, что газ — невидимое вещество.

Вот еще одна перспектива: предположим, что ваш рост около 1000 км. Вы наклоняетесь, складываете ладони и зачерпываете немного земной атмосферы. Поднимите его высоко в вакуум. Похоже на полупрозрачный голубой дым! Из-за скопления воздуха в ваших руках глубиной в километры ваши ладони немного трудно увидеть. Вылейте его снова, и когда он упадет, он образует сверкающий небесно-голубой шлейф на фоне черноты космоса. Очевидно, что воздух далеко не невидим.

Газ может быть очень хорошо виден. Солнце полностью состоит из газа и абсолютно непрозрачно. Внутри Солнца световые частицы (фотоны) перемещаются от нескольких сантиметров (в очень глубине) до километров (ближе к поверхности), прежде чем поглощаются. Не особо отличается от других «частиц» местного газа. Таким образом, вы не можете видеть солнце при свете (вы можете использовать акустические волны в качестве подповерхностной диагностики, но это уже другая история).

То, что мы называем «солнечной поверхностью», — это далекий слой, где газ становится достаточно разреженным, чтобы стать прозрачным. Там фотоны улетают как солнечный свет. Газ там на самом деле гораздо менее плотный, чем прозрачный воздух вокруг нас, потому что он состоит из почти чистого водорода (что делает его совершенно непрозрачным для видимого света, если достаточное количество атомов водорода захватит дополнительный (второй) электрон, процесс, понятый только в 1940-х годах. ).

Небольшая часть той очень маленькой части, которая ударяется о землю, рассеивается в нашей атмосфере; те, которые случайно отскакивают к вашим глазам, составляют голубое небо, которое вы видите. Синие не потому, что они меняют энергию (цвет), а только потому, что в синем рассеивается больше фотонов, чем в красном, поэтому солнце на закате кажется красным, потому что больше синего ушло с прямого пути к вашему глазу.

Вопрос хорош, потому что непрозрачность газов кажется нам нелогичной. Вот почему «перенос излучения в звездных атмосферах» является продвинутой темой в курсах астрофизики. Свет, исходящий от звезд, является нашей основной диагностикой для их понимания, но интерпретация этого света требует хорошего понимания непрозрачности звездного газа. Погуглите эту тему и почитайте мои конспекты лекций...

Видимость субъективна

Видимость субъективна, нужен наблюдатель .

Вы просили историю. Все началось с наших самых ранних предков, которые разработали датчики, чувствительные к электромагнитному излучению.

Какие датчики и какое излучение? Что бы ни изменило ситуацию.

В начале? Какое бы излучение ни было доступно, что бы оно ни проходило через атмосферу с энергией, достаточной для достижения поверхности земли.

По мере изменения атмосферы датчики адаптировались к проникающему излучению.

Со временем эти сенсоры превратились в глаза. Как и многие другие виды.

Я просто должен был вмешаться здесь!

В расширении вашего вопроса вы спрашиваете, что

Я не уверен, что заставляет молекулы газа быть невидимыми

Ну, все "молекулы" невидимы для наших глаз, у нас просто нет разрешающей способности, чтобы их увидеть, если у вас есть атомно-силовой микроскоп, вы можете увидеть их вот так

Однако в целом вы можете видеть много газов, как ясно показал @DavePHD!

Если вы все еще намерены говорить о том, что вы можете видеть почти все твердые или жидкие вещества, а не все газы, то вы должны взглянуть на людей, бьющихся в зеркала или стекла, поскольку они тоже становятся невидимыми для нас в различных случаях.

В то время как почти все твердые тела и жидкости достаточно организованы, чтобы, по крайней мере, отражать свет, газы слишком рассеяны, чтобы это делать! Единственное свойство, которое позволяет газам становиться видимыми, это поглощение или испускание фотонов, если во время поглощения дополнительный свет находится в видимом диапазоне, мы можем видеть газ, и если излучаемый свет находится в видимом диапазоне, мы можем его видеть, в противном случае мы просто можем его увидеть. не с нашими глазами!

В последнем абзаце не думайте о тумане или других подобных вещах, похожих на газы, и не говорите, что они отражают! Есть и другие явления, которые там играют, и, кроме того, туман - это не газ! Отражение происходит только от газов, когда они нечисты и имеют скорее коллоидную природу, так как именно в дыме частицы загрязняющих веществ делают его черным/серым/белым!

В ответе есть биологический компонент. По сути, среда выбирает атрибуты, которые увеличивают шансы вида на успешную передачу своих генов будущим поколениям. Исходя из этого, если у вида развивается такое чувство, как зрение, оно будет развиваться таким образом, чтобы максимизировать полезность этого чувства. Для земной атмосферы глаза различных видов «настроены» на определенные длины волн света, которые не поглощаются атмосферой, потому что эти длины волн дают этим видам наибольшую информацию об окружающей среде и, следовательно, увеличивают их шансы на размножение.