夏季雨后常出现彩虹，它的形成与阳光、水滴有何关系？背后的光学原理科普

折射、反射和色散。以下是详细的科学解释：

1. 关键要素：阳光与水滴

• 阳光： 是混合了各种颜色（波长）的白光。
• 水滴： 雨后悬浮在空中的小水滴，通常接近球形。这是彩虹形成的关键介质。

2. 核心光学原理：折射、反射与色散

• 折射： 当光线从一种介质（如空气）斜射入另一种密度不同的介质（如水）时，传播方向会发生改变，这种现象称为折射。不同颜色（波长）的光在水中的折射率不同。
• 色散： 正是因为不同波长的光折射率不同，当白光（如阳光）进入水滴时，会被分解成不同颜色的光谱（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫），就像三棱镜分光一样。紫光（波长较短）折射程度最大，红光（波长较长）折射程度最小。
• 反射： 光线在水滴内部遇到水滴与空气的界面时，如果入射角大于临界角，就会发生全内反射（对于形成主虹来说，通常是发生一次内部反射）。

3. 彩虹形成的具体过程（以主虹为例）

想象一束阳光照射到一个球形水滴上：

第一次折射： 阳光从空气斜射入水滴表面时发生折射。白光被色散成不同颜色的光，紫光偏折最大，红光偏折最小。 内部反射： 色散后的光线到达水滴的后内壁。由于水与空气的界面，光线发生一次全内反射。 第二次折射： 反射回来的光线再次到达水滴的前表面（靠近观察者一侧），再次发生折射，从水滴射出，进入空气。 光线汇聚与观察：

• 经过水滴内部的这次“折射-反射-折射”后，不同颜色的光以不同的角度射出水滴。
• 最关键的是：对于某个特定颜色的光（例如红光），存在一个特定的角度（约42°），在这个角度附近射出的光线强度最大。
• 观察者需要背对太阳。当观察者看向与太阳方向成约42°角（以眼睛和太阳的连线为轴）的天空区域时，来自该区域无数水滴的、经过上述路径折射反射的红光恰好进入观察者的眼睛。
• 同样，在略低一点的角度（约40°），来自另一批水滴的紫光会最强地进入眼睛。
• 其他颜色（橙、黄、绿、蓝、靛）则按顺序分布在这两个角度之间。

4. 为什么彩虹是圆弧形？

• 彩虹并非存在于天空的某个固定位置。它是光线经过特定路径进入观察者眼睛后产生的视觉图像。
• 那个“特定角度”（对主虹是42°，对霓是51°）是相对于观察者的眼睛与太阳连线的夹角。
• 满足这个角度条件的所有水滴，分布在空间中的一个圆锥面上。这个圆锥的顶点是观察者的眼睛，轴线指向太阳的反方向。
• 我们通常只能看到这个圆锥面与天空相交的部分，也就是一个圆弧。如果条件极好（如在高空），可能看到完整的圆环。

5. 霓（副虹）的形成

• 有时在主虹外侧能看到第二道较暗、颜色顺序相反的彩虹，称为霓或副虹。
• 它的形成过程与主虹类似，区别在于光线在水滴内部经历了两次全内反射。
• 两次反射改变了光线的路径：
  • 第一次折射进入水滴 -> 色散。
  • 第一次内部反射。
  • 第二次内部反射（发生在水滴的另一侧）。
  • 第二次折射射出水滴。
• 两次反射导致：
  • 光线射出水滴的角度更大（约51°）。
  • 颜色顺序反转：红光在内侧（51°），紫光在外侧（约53°）。
  • 光线经过更多次反射，能量损失更大，因此霓通常比主虹暗淡。

总结关键关系与原理 要素 作用 阳光 (白光) 光源，提供需要被分解的光谱。 球形水滴 充当天然的“三棱镜”和反射镜，实现折射、色散和内部反射。 折射 光线进出水滴时改变方向；不同颜色光折射率不同导致色散。 内部反射 主虹一次反射，霓两次反射，将色散后的光线“转向”观察者方向。 色散 白光分解成七色光谱的核心原因（紫光偏折最大，红光最小）。 特定角度 只有特定角度（主虹42°，霓51°）射出的光线最强，形成可见的彩色光带。 观察者位置 必须背对太阳，才能看到特定角度上水滴汇聚的特定颜色光。

因此，夏季雨后彩虹的出现，是阳光穿过空气中大量悬浮的球形水滴时，经历精确的折射、一次或两次内部反射、再次折射并发生色散后，特定颜色的光线以特定角度汇聚到观察者眼中形成的壮丽光学现象。这完美地诠释了光的波动性和几何光学的基本原理。