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¿Hay una razón física para los colores que se encuentra en una banda muy estrecha del espectro EM?

La porción del espectro electromagnético que es visible para los seres humanos son longitudes de onda entre 380 y 750 nanómetros.

Soy consciente de que los animales tienen diferentes capacidades de los seres humanos, pero el espectro electromagnético donde se ve los colores está muy cerca, por ejemplo, de 300 590 para las abejas.

Soy consciente de que algunos seres humanos pueden ver en cuatricromía, pero lo que vemos es en realidad dos verdes en lugar de uno.

Como todos los animales que ver en todo esto la luz visible, lo que implica que es en este EM banda que la mayoría de la información acerca de la materia puede ser recopilada.

Esta banda es, por tanto, la mejor manera de distinguir entre los objetos. Incluso las personas daltónicas ver sombras de gray en estas longitudes de onda.

Así que parece que el asunto tiene algunas propiedades especiales en las longitudes de onda de la luz visible que no en las frecuencias superiores o inferiores.

Por lo tanto, parece plausible que es un fenómeno físico que hay detrás de estos, por ejemplo, las imperfecciones en el compuesto de materia podría tener tamaños en su mayoría correspondientes a las longitudes de onda visibles.

Es realmente el caso?

Edit: añadido un par de preguntas complementarias de ayuda a la descomposición de todos los diferentes aspectos

Hacer más el nivel de energía de las transiciones en la materia de los objetos del día a día se corresponden con bastante precisión a las longitudes de onda de la luz visible?

Si no hay transiciones electrónicas que sucedió en la banda de la luz visible, sería de nosotros todavía será capaz de utilizar esta banda para ver? Si no, ¿cuál sería la manera más eficaz a ver?

55voto

Harsh Vardhan Puntos 31

En su mayoría, de ver las cosas porque reflejan la luz. Que absorber parte de ella, que les da su color, sino que también podrás ver si tienes brillo infrarrojo o ultraviolett luz en ellos. Así que: Cualquiera que sea la luz que brilla en ellos, una gran parte de esta luz se refleja y puede detectar esta luz para "ver" la materia.

Su argumentación parece, por tanto, hacia atrás. La más plausible la idea es que la mayoría de la luz en la tierra es de una longitud de onda dada y por lo tanto, la mayoría de los ojos de animales adaptados a esta longitud de onda.

sun's spectrum

Más precisamente, tener una mirada en el sol del espectro: Como se puede ver (parte amarilla), la radiación es más intensa en el área de la luz visible. Esto es debido al hecho de que el sol está cerca de un cuerpo negro ideal de la temperatura de su superficie. Ahora, la luz que llega a la superficie es que no todos los de la luz del sol, ya que algunas longitudes de onda son bloqueados por la atmósfera (rojo), que es debido al hecho de que los elementos de absorber ciertos niveles de radiación.

Ahora, la detección de la luz es más difícil, si hay menos luz (usted no puede ver muy bien en la oscuridad), por lo tanto es más fácil de detectar luz intensa - por lo tanto es una buena idea para ajustar sus ojos a la zona donde la luz es más intensa.

Hay algunos otros aspectos que merece la pena mencionar:

  1. Tenga en cuenta también que la mayor energía "luz" puede crear otras dificultades. Gran parte de la materia orgánica se convierte en transparente para la radiación gamma (algunos incluso para rayos x- que es la razón por la tomographys obras), lo que también significa que es mucho más difícil detectar los rayos x con la materia orgánica, por lo que sería aún más difícil construir un orgánicos de los ojos para "ver" y hacer uso de las bajas intensidades de radiación gamma. Todavía: con un buen detector y lo suficientemente intensivo de rayos x, yo probablemente podría también ver una buena imagen de mi entorno.

  2. El mismo es en la otra dirección: las ondas de radio tienen muy largas longitudes de onda. Un simple ojo no es lo suficientemente grande como para ver.

El resultado de todo esto es:

  • Viendo todo el espectro requiere de una mucho mayor variedad de detectores, un tipo de "ojo" simplemente no será suficiente.

  • La luz en la tierra es más abundante en una estrecha banda del espectro electromagnético

Esto no explica por qué sólo vemos una determinada banda del espectro electromagnético, a menos que desee biológica de la economía.

EDIT: Entonces, ¿por qué algunos animales ver UV y ninguno ve la luz IR? A diferencia de que yo había afirmado con anterioridad, esto parece ser más un problema biológico: usted probablemente iba a necesitar una muy diferente "ojo", de manera similar a lo que me dio a entender cuando dicen que necesitamos una mayor variedad de detectores: Los únicos animales con los que realmente confirmado de INFRARROJOS de visión son las serpientes, que no usan sus ojos para "ver" la luz infrarroja. Por otro lado, todos los animales con confirmación de la UV sentidos uso de sus ojos, apenas un poco diferente de la ventana de visibilidad desplazado a la ultraviolett, o simplemente otro tipo de receptores (algunas aves aparentemente tienen hasta cinco tipos de receptores de color, que se extendió también a un mayor banda de wavelenghts).

Yo no incluir más completos de la encuesta de la biología - esto es, después de todo, una pregunta acerca de la física. Véase también el de Tomás de respuesta para una información más completa argumento de algunos biológica argumentos que demuestran que es probable que no sea beneficioso tener múltiples ojos.

EDIT 2: hubo algunas preguntas añadidas por la aclaración, así que voy a intentar responder a estas:

Hacer más el nivel de energía de las transiciones en la materia de los objetos del día a día se corresponden con bastante precisión a las longitudes de onda de la luz visible?

Respuesta: No, ellos no. Vamos a echar un vistazo en el espectro de emisión del hidrógeno, el elemento más abundante en el universo, y también muy presente en la tierra (aunque normalmente bound): espectro del Hidrógeno y, en particular, esta Wikipedia imagen. Podemos ver muchas de las líneas, de los cuales sólo algunos son visibles (cuatro líneas de la serie de Balmer). El NIST tiene una base de datos de las líneas espectrales para cada elemento (ver http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html), donde se puede ver que hay una abundancia de líneas que no son visibles. Sin embargo, no sé cómo probables todas las transiciones que son. Las líneas de Balmer del hidrógeno son, por supuesto, muy probable transición.

Si no hay transiciones electrónicas que sucedió en la banda de la luz visible, sería de nosotros todavía será capaz de utilizar esta banda para ver? Si no, ¿cuál sería la manera más eficaz a ver?

Suponiendo que teníamos un dispositivo para detectar la luz en estas frecuencias sin el uso de transiciones de electrones (esto es más una pregunta biofísica y más allá de mis capacidades): Nos gustaría ser capaces de utilizar esta banda, precisamente porque de lo que he dicho en mi respuesta original: la Mayoría de la luz que vemos es la luz solar reflejada, no se absorbe y reemitted o simplemente la luz emitida. Puesto que la luz es abundand precisamente en el espectro visible (y esto no tiene nada que ver con los espectros de emisión de los átomos), se podría ver muy bien. Sin embargo, los colores que va a ser problemático: la luz del Sol es blanca y los colores el resultado de una absorción de ciertas partes de esta luz, mientras que otros son simplemente refleja.

El proceso de absorción está vinculada a las líneas espectrales, pero no siento que conozco bastante para hacer esta conexión sea más precisa. Así que podría ser que la falta de absorción en esta parte del espectro a hacer de este mundo lugar incoloro - nos gustaría ver en blanco y negro.

22voto

JRT Puntos 97

La radiación electromagnética es aborbed de dos maneras:

  1. cuerpo negro de absorción

  2. electrónica/vibración/la excitación rotacional

Todos los sólidos absorber debido a que el cuerpo de color negro, mecanismo, (1),pero todo lo que esto hace es convertir la radiación entrante al calor y es difícil ser preciso acerca de exactamente donde el fotón entrante éxito. Algunos muy básicos de la imagen todavía se puede hacer, por ejemplo las serpientes utilizar este método para obtener información acerca de la ubicación de la presa. Sin embargo, es mucho menos preciso que la imagen por el ojo.

El método (2) es donde el fotón entrante cambia el estado cuántico de una molécula. La excitación rotacional es donde se hace la molécula de cambio del momento angular, de vibración de excitación es donde la molécula cambia su energía vibracional y electrónica de excitación de un electrón de la molécula de cambios en los niveles de energía.

La energía asociada con los tres tipos de excitaciones es muy diferente. Rotación transiciones tienden a ocurrir en microondas, de vibración en el infra-rojo y electrónicos en el visible a los rayos ultravioleta. De estos tres, sólo las transiciones electrónicas pueden ser útilmente empleada en un ojo por una variedad de razones. Por ejemplo, rotación y vibración de las excitaciones tienden a hacerse borrosa en los sólidos y líquidos debido a las interacciones entre las moléculas. También los hornos de microondas son demasiado grandes longitud de onda para dar una buena visión a menos que el ojo es muy grande (es decir, el tamaño de un radar dish!). Finalmente infra-rojo es fuertemente absorbida por el agua, y si tu ojo contiene el agua que es un problema.

Por lo que cualquier útil de los ojos es probable que se basa en excitaciones electrónicas, y de hecho, esta es la forma en que nuestro ojo funciona porque detecta excitaciones electrónicas de las moléculas de rodopsina. Excitaciones electrónicas de simple los átomos y las moléculas, se encuentran en el ultra-violeta, pero los fotones UV tiene una gran cantidad de energía y son destructivos para el tejido (es por eso que se queme), de modo que no se utilizan mucho para la visión. Haciendo que las moléculas con dobles enlaces conjugados, la energía de excitaciones electrónicas puede ser bajado en el rango visible, y eso es lo ojos. Vertebrados óptica pigmentos son derivados de la vitamina a, y esto tiene dobles enlaces conjugados que forman un cromóforo. Sin embargo, para obtener la energía inferior a la longitud de onda de 800nm requeriría extendida y probablemente moléculas inestables, por lo que este establece un límite inferior.

Así que la respuesta es, básicamente, que las transiciones electrónicas son necesarios para la visión, y las consideraciones prácticas, restringir las longitudes de onda útiles a los 400 - 800nm gama.

21voto

Shadow503 Puntos 317

Además de las otras respuestas, el espectro visual de la luz corresponde a una muesca en el espectro de absorción de la atmósfera.

Opacity of the Atmosphere as given by Wikipedia

Fuente imagen: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg

9voto

Ruben Puntos 3288

Aparte de la "física" de las explicaciones en las otras respuestas, debemos considerar a la biología. Para hacer un "ojo" que uno necesita algún tipo de lente (o, conceptualmente, un espejo de la evolución encontrado el telescopio de Galileo, no la de Newton, pero tal vez podría tener) que se enfoca la luz entrante, y los receptores que se activan por estos fotones. Hay (al menos) tres factores importantes para la selección de la longitud de onda:

  • El enfoque exige una superficie que tiene la forma deseada con un alto nivel de precisión, a menos que la longitud de onda de la luz que se detecta. Por lo tanto, las longitudes de onda más cortas son más difíciles de manejar. Células más pequeñas están en el orden de la mitad de un micrómetro de largo; a continuación entramos en el reino de virus. Un enfoque biológico aparato tendría problemas para el manejo de las longitudes de onda más cortas que el más débil de los rayos UV.

  • El receptor debe recibir suficiente energía para ser activado. Longitudes de onda largas implican menos energía por fotón, haciendo de activación más difícil. Una longitud de onda larga requiere un mayor ojo, con lo que la precisión deseada difícil de lograr.

  • Cualquier estructura compleja que consume los recursos genéticos; sólo hay así que muchos de los genes que pueden caber en algunos cromosomas.

Por lo tanto, desde un punto de vista evolutivo, hay algo de genética de la presión que significa que el éxito de la especie serán los que conseguir una especie de ojo (y no dos o tres tipos de ojos que operan a distintas longitudes de onda), y que el ojo será algún tipo de "óptima trade-off" entre la necesidad de suficiente energía entrante, y la facilidad de mantener un adecuado enfoque de la forma. De alguna manera tiene sentido que el óptimo de trade-off se encuentra en longitudes de onda donde la luz que pasa a ser más abundante en la Tierra, ya que más energía significa que los ojos pueden ser más pequeñas.

7voto

Andrew Hill Puntos 201

Además de la respuesta de Martin, también existe el mecanismo físico de la detección de la luz.

  • la luz con una longitud de onda ultravioleta puede ser absorbido para ionizar un átomo, lo que provocó una reacción química; la luz en la región visible sólo puede ser absorbido para provocar la excitación y requieren de complejas moléculas con propiedades químicas específicas para transformar esta excitación a una reacción química necesaria para el real de la detección. (http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Vision/Vision.htmlexplica la biochemcial de la vía según la cual 1 fotones de absorción conduce a una señal química en cascada (discusión de la que es, probablemente, fuera del alcance de esta pregunta)

  • el infrarrojo cercano de la ventana casi no tiene asociado excitaciones electrónicas, como los fotones en esta ventana de energía no tienen la energía suficiente para excitar un electrón entre cualquier nivel de base y cualquier otro nivel

absorbtion spectra of ethanol (En el infrarrojo cercano del espectro de líquido de etanol, a partir de http://en.wikipedia.org/wiki/Near-infrared_spectroscopy)

  • con una temperatura ambiente de alrededor de 300 K, la recepción de las longitudes de onda de más de 700 nm sería difícil medir el uso de procesos químicos, como todo lo que químicamente sensibles en esa región espontáneamente reaccionar con térmicas de los fotones procedentes de su entorno o incluso a sí mismo.

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(a partir de http://pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/blackbody-radiation )

En conclusión, mientras que para longitudes de onda cortas interactúan con los tejidos orgánicos, incluso a corto-ish longitudes de onda (UV) son todavía perjudicial (re:el cáncer de piel causado por la polimerización de ADN y otros efectos químicos), las longitudes de onda visibles son lo que vemos, infrarrojo cercano, no tiene una fácil capacidad para desencadenar procesos químicos, y el infrarrojo lejano es lo que los detectores de resplandor con que están a 300 K, por lo que sería demasiado espontáneos de detección de la no-imagen térmica de fotones.

La única razonable longitudes de onda a la izquierda con cualquier resolución son los que realmente vemos.

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