彩虹的形成原理

咸立德

摘 要：現代物理學關于彩虹的形成原理是錯誤的。細小水珠在穩定的下落時，水珠在空氣的助力下形成卵形（橢球體）性質，光在卵形水珠內才能形成全反射，所以，細小水珠在下落中具有卵形性質才是形成彩虹的必要條件。

關鍵詞：彩虹 橢球形水珠 色變 全反射

本文對現代物理學中的彩虹形成原理提出了質疑，同時用另一種理論重新解釋了彩虹的形成原理，意在讓人類重新認識彩虹這一自然現象的真實性。

一、對現代物理學中的彩虹形成原理的質疑

現代物理學認為，彩虹是太陽光照射到空氣中的細小球形水珠時，太陽光經過了兩次折射（同時色散）和一次全反射而形成的一種自然現象。如圖1（a）所示。

這種邏輯與推理是違背光的全反射的條件的。如圖1（b）所示，當太陽光在a點以入射角為∠1進入小水珠，折射后，折射角為∠2，然后到達水珠的界面b點，在b點的入射角為∠3。根據水珠的球形性質及折射定律，有∠2=∠3，所以，光完全可以在b點以∠4的折射角射出水珠，而且有∠1=∠4。

又，根據光的全反射的條件，當∠4=90°時，即∠1=90°時，在b點才能發生全反射。但是，當入射角∠1=90°時，即是光沿著水珠的切線方向，光是不會進入水珠的。另一方面，即便是在a處，以極近90°的入射角能射入水珠，而且在b處能發生全反射，那么根據水珠的球形性質，如圖1（a），在c處也應當發生全反射的，就不會在射出水珠。況且，太陽光以極近90°的入射角射入水珠的光應當很少，因為光隨著入射角的增大，反射性能會逐漸增強而折射性能逐漸減弱。

由以上分析可知，現代物理學關于彩虹的形成原理是完全錯誤的。

二、彩虹的成因

若要光在水珠內的發射發生全反射，水珠必須具有橢球性質或者卵形性質。如圖2。

由于卵形體表面的兩端a、c兩處界面曲率較大，中間部分的b處的界面曲率較小，光在兩端附近極近90°射入水珠的光，折射后在界面曲率較小的b處發射時，會導致角3大于角2的情況。在b處就具備全反射的條件。即角3很容易大于臨界角而發生全反射。

由于b處的界面曲率小于c處的界面曲率，在b處全反射的光不可能在c處繼續發生全反射而射出卵形水珠形成彩虹現象。也就是說，水珠具有卵形性質是形成彩虹的必要條件。

當把圖2的光路圖反過來，就是考慮從a處入射較強的自然光時，在a處射出的光同樣可以形成彩虹。這也是在俯視一些有水蒸氣的區域時也有彩虹現象的原因，比如俯視瀑布下方的水汽區域，常會出現彩虹。

而在低端附近d入射的光，折射后，同樣可以經過e、f處的內反射以及g處的折射而形成霓。同理，在e處也可以發生一次全反射。也就是說，霓的形成原理也必須發生一次全反射才能夠產生較強的光的色變而被觀測到。

也就是說，按現代物理學的球形水珠來描述彩虹，并不是不存在，只是由于發生的是內反射，而不是全反射，強度就會減弱很多，肉眼是很難觀察到的。所以，彩虹的形成，也必須發生一次全反射，才能夠有較強的光的色散，足以讓肉眼能夠觀察到。

三、卵形水珠的形成

當水分子形成細小水珠的過程中，質量不是很大時，由于空氣的浮力，水珠會漂浮在空氣中，此時水珠可以具有極近正球體性質。而當水珠逐漸增大時水珠就會慢慢下落，在下落過程中，水珠會在空氣阻力作用下形成上下為長半徑的橢球性質，而且具有上大下小的卵形性質。由一下實驗可以證明。

實驗器材：噴壺一個。

試驗方法：用噴壺在陽光下，背向太陽光向上噴出大片細小水珠。

觀察結果：彩虹是在水珠穩定下落的區域形成的。

結論：噴壺所噴的水珠，在空氣阻力作用下，只有穩定下落過程中具有上下為長半徑的橢球或者蛋形性質。此處產生彩虹現象是符合本文的理論的。

分析：彩虹的觀察方向和水珠的長半軸的方向有關，彩虹是水珠具有橢球性質形成的。理論上并不是說只有下落過程中才能形成彩虹，在有些情況中，水珠也會在空氣流動的影響下，在其它方向上形成橢球性質。在相應的其它方向上也可以形成彩虹。只是在其他方向上的運動基本都不是很穩定的。所以一般情況下，當空氣較穩定時水珠的下落就較穩定，才能容易形成彩虹。而當水平方向有運動時本來就是空氣不穩定才能導致水平運動，所以水平運動一般會伴隨著不穩定，形成水平方向上的長半軸水珠就不穩定，很難形成彩虹。所以，其它方向上的彩虹是稀有的。上下方向的彩虹（昂視或者俯視）是最常見的。

四、結論

彩虹是光在空氣和卵形水珠之間發生了兩次折射和一次全反射而形成的一種現象。