¿Por qué no podemos ver los gases?

(Crédito de la fotografía: Efram Goldberg)
[Nota: la ampolla del extremo izquierdo se enfría a -196 °C y se cubre con una capa blanca de escarcha .]

$NO_2$es un buen ejemplo de un gas colorido.$N_2O_4$(incoloro) existe en equilibrio con$NO_2$. A una temperatura más baja (a la izquierda en la foto de Wikipedia),$N_2O_4$se favorece, mientras que a mayor temperatura$NO_2$es favorecido

Para que un gas tenga color, debe haber una transición electrónica correspondiente a la energía de la luz visible.

$F_2$(amarillo pálido) ,$Cl_2$(verde pálido) ,$Br_2$(rojizo) , y$I_2$(púrpura) son otros ejemplos de gases con color.

Un análisis completo de cuán visible o invisible es un gas consideraría la densidad del gas, la longitud de la trayectoria de la luz, la función de dispersión de Rayleigh del gas y los coeficientes de absorbancia de cualquier transición electrónica disponible para las moléculas o átomos del gas en el rango visible.

En primer lugar, las moléculas de gas no son invisibles. Hay muchos elementos cuyo estado gaseoso es bastante coloreado, pero estos (el yodo, por ejemplo) se encuentran en cantidades tan raras en la atmósfera que el efecto neto no es perceptible a simple vista. A continuación, si busca en Google "curvas de transmisión atmosférica", verá todo tipo de absorción espectral, nuevamente a tasas que normalmente no son detectables por su ojo.

Da la casualidad de que las especies más predominantes (nitrógeno, oxígeno, CO2, etc.) no absorben ni se reflejan significativamente en el espectro visible. Eso es en parte (aunque no del todo, esto se convierte en una cuestión biológica en lugar de física) por qué nuestros ojos ven en el rango que ven.

EDITAR: según la solicitud de @DavidRicherby agregando: estos gases no se absorben porque no tienen resonancias o espacios de capas de electrones que coincidan, o como todos dijeron, porque la sección transversal de absorción que tienen es lo suficientemente pequeña como para que el efecto neto no sea distinguible para nuestros ojos

Como se ha dicho por muchas respuestas; todos los gases no son incoloros, por ejemplo, el cloro gaseoso es de color amarillo pálido; lo cual es bueno ya que es muy peligroso.

Así que los gases en nuestra atmósfera son incoloros. Pero esto es completamente al revés de verlo. Si nuestros ojos operaran en frecuencias que estuvieran bloqueadas por gases en la atmósfera, no funcionarían muy bien. Y este es un punto importante porque los gases en nuestra atmósfera no son transparentes en todas las frecuencias. Por ejemplo, este es el espectro de absorción del vapor de agua:

^{reproducido de http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absort_by_water#Atmospheric_effects}

Si nuestros ojos operaran alrededor de los 100 nm viviríamos en un mundo muy oscuro, casi toda la luz sería absorbida por la atmósfera. Lo mismo si operaran a 10 micrómetros. Pero nuestros ojos evolucionaron para usar la luz que estaba disponible para ellos; y esa luz estaba entre 400-700 nm; justo en el medio de esa caída en la absorción (obviamente, también necesitaría observar los espectros de absorción de nitrógeno y oxígeno para obtener una imagen completa).

Entonces, la razón por la que no podemos ver los gases comunes; porque la evolución optimizó nuestros ojos para trabajar de esa manera. Si hubiéramos evolucionado en una atmósfera compuesta principalmente de cloro gaseoso, apostaría a que todavía nos estaríamos preguntando "¿Por qué no podemos ver los gases?" y alguien inventaría los contraejemplos de cómo los gases raros (en su mundo) vapor de agua, oxígeno y nitrógeno eran visibles.

Algunos gases son realmente visibles (el dióxido de nitrógeno, por ejemplo). El aire es invisible, porque sus moléculas no absorben la luz visible. Estas moléculas simplemente no tienen modos de vibración útiles disponibles para absorber estas longitudes de onda, o los electrones en sus orbitales no pueden utilizar las frecuencias de la luz visible para moverse a un orbital más alto (las diferencias de energía no corresponden a la luz visible).

En alguna otra parte del espectro electromagnético el aire podría ser visible.

Una de las razones por las que los ojos se vuelven sensibles en el espectro "visible" es que el aire no absorbe allí. De lo contrario, los ojos serían inútiles: no verías nada más que aire. Nuestros ojos pueden decirnos lo que sucede alrededor solo si usan la parte del espectro donde el aire no absorbe.

Un factor a tener en cuenta es que para un material de baja densidad con interacciones relativamente débiles con la luz, la masa total de la columna por la que pasa la luz hará una gran diferencia en el color percibido. Por ejemplo, si llena una bañera blanca con agua, notará que una columna de escala de centímetros de agua del grifo (o de su vaso de agua) es transparente, mientras que la columna de escala decimétrica en el fondo de la bañera es transparente. claramente azul.

Puedes ver el mismo efecto si miras una montaña verde o marrón desde unas pocas decenas de millas de distancia: los verdes y marrones son desvanecidos por el color azul de las muchas toneladas de aire intermedio.

¿Por qué los líquidos son invisibles? ¿Y por qué los gases son como manchas plateadas? (... pregunta una criatura que pasó toda su vida bajo el agua).

Los gases son transparentes, no invisibles. La vida en el fondo de un "océano de aire" puede dar a ciertos organismos que respiran aire un punto de vista distorsionado.

Si pasáramos nuestras vidas en el vacío, pensaríamos que tanto el aire como el agua son fluidos transparentes. Nos daríamos cuenta de que el aire desvía la luz mucho menos que el agua. En un entorno de vacío, una bolsa de aire transparente se comportaría menos como una lente, en comparación con una bolsa de agua transparente.

Demostración real en el salón de clases: conseguir un acuario lleno de agua. Llena un globo de agua. Ahora sostenga el globo sumergido en el acuario y deje que suelte el agua. ¿Ver cualquier cosa? No. Esto obviamente prueba que el agua es invisible. :) Y si tuviéramos un ambiente lleno de gas y luego soltáramos el contenido de un globo lleno de gas, podríamos probarnos a nosotros mismos que el gas es invisible. ¿No? Somos peces de aire que vivimos en el fondo del océano de nitrógeno y estamos firmemente convencidos de que el gas es un material invisible.

Aquí hay otra perspectiva más: suponga que tiene una altura de aproximadamente 1000 KM. Te agachas, ahuecas tus manos y recoges algo de la atmósfera de la Tierra. Levántelo alto en el vacío. ¡Parece humo azul claro translúcido! El charco de aire de KM de profundidad en tus manos hace que tus palmas sean un poco difíciles de ver. Viértalo de nuevo y, a medida que cae, forma una brillante columna azul cielo contra la negrura del espacio. Obviamente, el aire está lejos de ser invisible.

El gas puede ser muy visible. El sol está hecho de gas y es totalmente transparente. Dentro del sol, las partículas de luz (fotones) viajan solo desde centímetros (en las profundidades) hasta kilómetros (más cerca de la superficie) antes de ser absorbidas. No es realmente diferente de otras "partículas" del gas local. Por lo tanto, no puede ver el sol a la luz (puede usar ondas acústicas como diagnóstico del subsuelo, pero esa es otra historia).

Lo que llamamos "la superficie solar" es la capa lejana donde el gas se vuelve lo suficientemente tenue como para volverse transparente. Allí los fotones escapan como la luz del sol. El gas allí es en realidad mucho menos denso que el aire transparente que nos rodea porque está compuesto de hidrógeno casi puro (lo que lo hace bastante opaco a la luz visible si suficientes átomos de hidrógeno captan un (segundo) electrón adicional, un proceso que solo se entendió en la década de 1940 ).

Una pequeña fracción de la fracción muy pequeña que golpea la tierra se dispersa en nuestra atmósfera; los que rebotan hacia tu ojo forman el cielo azul que ves. Azul no porque cambien de energía (color), solo porque se dispersan más fotones en el azul que en el rojo, por lo que el sol se muestra rojo al atardecer porque más azul salió del camino directo a su ojo.

La pregunta es buena porque la falta de transparencia de los gases nos parece contraria a la intuición. Es por eso que la "transferencia radiativa en atmósferas estelares" es un tema avanzado en los cursos de astrofísica. La luz que sale de las estrellas es nuestro principal diagnóstico para comprenderlas, pero interpretar esta luz requiere una buena apreciación de la falta de transparencia del gas estelar. Busca en Google este tema y lee mis notas de clase...

La visibilidad es subjetiva

La visibilidad es subjetiva, se necesita un observador .

Tú pediste la historia. Comienza con nuestros primeros antepasados, quienes desarrollaron sensores que eran sensibles a la radiación electromagnética.

¿Qué tipo de sensores y qué tipo de radiación? Lo que fuera que marcara la diferencia.

¿Al principio? Cualquiera que sea la radiación disponible, todo lo que atravesó la atmósfera con suficiente energía para llegar a la superficie de la tierra.

A medida que la atmósfera cambiaba, los sensores también se adaptaban a la radiación que pasaría.

Con el tiempo, esos sensores se convirtieron en ojos. Como hicieron con muchas otras especies.

¡Solo tenía que interponerme aquí!

En la expansión de tu pregunta, preguntas que

No estoy seguro de qué hace que las moléculas de gas sean invisibles.

Bueno, todas las "moléculas" son invisibles a nuestros ojos, simplemente no tenemos el poder de resolución para verlas, si tienes un microscopio de fuerza atómica puedes verlas así

Sin embargo, puede ver muchos gases en general como lo ha demostrado claramente @DavePHD.

Si aún tiene la intención de hablar sobre el hecho de que puede ver casi todos los sólidos o líquidos y no todos los gases, entonces debe echar un vistazo a las personas que se golpean en espejos o anteojos, ya que también se vuelven invisibles para nosotros en varias ocasiones.

Si bien casi todos los sólidos y líquidos están lo suficientemente organizados para al menos reflejar la luz, ¡los gases están demasiado dispersos para hacer eso! La única propiedad que permite que los gases se vuelvan visibles es la absorción o emisión de fotones, si durante la absorción la luz complementaria está en el rango visible podemos ver el gas, y si la luz emitida está en el rango visible podemos verlo, de lo contrario solo podemos ¡No con nuestros ojos!

En el último párrafo, ¡no piense en la niebla u otras cosas que parecen gases y diga que reflejan! ¡Hay otros fenómenos que juegan allí y además la niebla no es gas! La reflexión de los gases solo tiene lugar cuando es impuro y es más de naturaleza coloidal, ya que es en el humo donde las partículas contaminantes lo hacen parecer negro/gris/blanco.

Hay un componente biológico en la respuesta. En efecto, el entorno selecciona los atributos que aumentan la posibilidad de que una especie tenga éxito en la transmisión de sus genes a las generaciones futuras. Basado en esto, si un sentido como la visión se desarrolla en una especie, evolucionará de una manera que maximice la utilidad de ese sentido. Para la atmósfera terrestre, los ojos de varias especies están "sintonizados" con las longitudes de onda específicas de la luz que no son absorbidas por la atmósfera, porque esas longitudes de onda brindan a esas especies la mayor cantidad de información sobre su entorno y, por lo tanto, aumentan sus posibilidades de reproducirse.