彩虹為什么有七種顏色

張黃閆

彩虹的物理原理 彩虹是人們時常看到的一種自然界的光現象.每當五彩繽紛的彩虹當空掛時，人們都會情不自禁地爭相觀賞這種大自然美景.古時有人說，那是寂寞的嫦娥在云端歌舞揮起的彩綢;也有人說，那是仙女為窺視人間在云中搭起的彩橋.不管是彩綢，還是彩橋，都只不過是神奇的傳說罷了.而現實中的彩虹是什么？它是如何形成的呢？ 一說到彩虹的形成，人們常把它跟.雨后.聯系在一起.很多人認為只有.雨后.才能出現彩虹.其實，這種看法是不全面的.雨后.天空有時會出現彩虹，這固然是事實，但是在陽光下，噴泉或瀑布的周圍也會出現彩虹;在夏天，街上奔跑的灑水車的后面，有時也會出現一段彩虹;用噴霧器在空中噴霧也可形成彩虹…….顯然，那種說彩虹僅在.雨后.出現，是對彩虹的成因還不十分了解造成的.只要知道空氣中存在有形成彩虹的條件，就自然知道不一定要下雨才有可能出現彩虹.

在中學物理課上，有個.光的色散.實驗：取一個棱鏡，讓一束白光穿過狹縫射到棱鏡的一側面，通過棱鏡后，前進方向改變，在白色光屏上形成彩色光帶，順序是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色.這與彩虹的顏色很相似.但是空氣中是不可能有三棱鏡存在卻又能形成彩虹.這是何故？這是因為空氣中飄浮有大量的小水滴.當太陽光照射到這些小水滴上，一個個的小水滴就像棱鏡似地把白光分解成七種單色光，對陽光起分光色散作用. 陽光是如何在小水滴中產生分光色散現象？ 陽光射入小水滴，即從空氣這種媒質進入水這種媒質，發生一次折射，由于構成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長最短，其折射率最大，紅光波長較長，其折射率最小，其余各色光則介乎其間.因此，光線在小水滴內產生分光現象，各色光同時在小水滴繼續傳播，遇到水滴的另一界面時被反射回來，重新經過小水滴內部，出來時再一次發生折射回到空氣中.這樣，陽光在小水滴中進行了兩次折射和一次全反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種單色光.當空氣中的小水滴數量很多時，陽光通過這些小水滴，經過反射和折射作用，射出來的光集中在一起，天空中美麗的彩虹就形成了. 平時，我們看到的多數是一條彩虹，視角（從地面至虹頂的角度）約42°.有時在彩虹的外邊還能看到一條顏色順序與這條彩虹恰好相反，且較暗一些的另一條虹，這條叫副虹.主虹是內紫外紅，副虹是內紅外紫，副虹又叫霓.霓與主虹為同心的圓弧，兩者之間天空比較暗，虹內、虹外天空比較明亮.霓的視角大約51°.它的成因與主虹基本相同.它是陽光在小雨滴中經過兩次反射和兩次折射而形成的，即折射——全反射——全反射——折射而形成的.在地平面上，我們看到的主虹與霓是半圓形的，那是因為它們下半部分被地面遮住了.若是站在高山頂上，就能看到主虹與霓的大部分.只有在晴朗的天氣時，在飛機艙中向下看，才能看到主虹與霓的全貌，即完整圓環. 如果太陽的角度太大（例如在中午前后），或太小（近日出或落日），我們也不易看到虹，又因虹是陽光經小水滴反射進入我們眼睛的，所以彩虹永遠出現在太陽的對面，因此.朝虹見于西方，夕虹見于東方.其出現以夏季為主. 主虹為何內紫外紅 我們看虹時，有色的光線依著各種角度從小水滴中反射出來，對于某一質點來講只能把某一種顏色的光線射入我們的眼簾，而從同一雨滴中折射出來的其他有色光或高或低地越過我們的眼簾，不被我們所看到.具體而言，在那些能進入我們眼簾的，并經處于最高位置的小水滴，所折射的光線中，由于紅光折射率最小，偏向角也最小，所以才能進入我們的眼簾，我們看到的只是紅光，其他色光由于折射率大，偏向角也大，都越過我們的頭頂而去.稍低一點的小水滴，也就只能是在折射光線中偏向角比紅光大，又比其余色光小的橙色光先進入我們的眼簾，而被我們看到.其余色光中，紅光偏低，黃、綠、藍、靛、紫都偏高，越過我們的眼簾不被我們所看到.以此類推，那些進入我們眼簾，并經處于最低一層位置的小水滴折射后的光線，我們只能看到的是紫光，其余色光都從我們眼皮底下溜走.這樣，空中鄰接的小水滴中折射出來的光線，形成一條內紫外紅的彩虹. 彩虹的氣象原理 空氣里小水滴的大小，決定了彩虹的色彩與寬度.雨滴越大，彩虹帶越窄，色彩越鮮明;雨滴越小，彩虹帶越寬，色彩越黯淡.當雨滴小到一定程度時，分光和反射不明顯，彩虹就消失.這說明了彩虹的形成直接與空氣中雨滴的存在、多寡、大小有著直接關系，反過來說，彩虹跟天氣變化有關.例如：如果彩虹的色彩從鮮艷變為暗淡，寬度從狹窄變為寬大，都說明空氣中雨滴由大逐漸變小，由此，我們可以推測空氣可能逐漸轉向穩定，天氣情況漸趨穩定.

晚虹是一種罕見的現象，在月光強烈的晚上可能出現。由于人類視覺在晚間低光線的情況下難以分辦顏色，故此晚虹看起來好像是全白色。

造成彩虹的光學塬理彩虹是因為陽光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內亦以不同的角度反射。當中以40至42度的反射最為強烈，造成我們所見到的彩虹。造成這種反射時，陽光進入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時再折射一次。因為水對光有色散的作用，不同波長的光的折射率有所不同，藍光的折射角度比紅光大。由于光在水滴內被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來，紅光在最上方，其他顏色在下。

雨后紐倫堡上空的雙道彩虹很多時候會見到兩條彩虹同時出現，在平常的彩虹外邊出現同心，但較暗的副虹（又稱霓）。副虹是陽光在水滴中經兩次反射而成。兩次反射最強烈的反射角出現在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外。因為有兩次的反射，副虹的顏色次序跟主虹反轉，外側為藍色，內側為紅色。副虹其實一定跟隨主虹存在，只是因為它的光線強度較低，所以有時不被肉眼察覺而已（參看）。

彩虹其實并非出現在半空中的特定位置。它是觀察者看見的一種光學現象，彩虹看起來的所在位置，會隨著觀察者而改變。當觀察者看到彩虹時，它的位置必定是在太陽的相反方向。彩虹的拱以內的中央，其實是被水滴反射，放大了的太陽影像。所以彩虹以內的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，剛好是觀察者頭部影子的方向，虹的本身則在觀察者頭部的影子與眼睛一線以上40°至42°的位置。因此當太陽在空中高于42度時，彩虹的位置將在地平線以下而不可見。這亦是為甚么彩虹很少在中午出現的塬因。

彩虹由一端至另一端，橫跨84°。以一般的35mm照相機，需要焦距為19mm以下的廣角鏡頭才可以用單格把整條彩虹拍下。倘若在飛機上，會看見彩虹會是完整的圓形而不是拱形，而圓形彩虹的正中心則是飛機行進的方向。

蘇格蘭上空的雙重彩虹1307年時歐洲已有人提出彩虹是由水滴對陽光的折射及反射而造成。笛卡爾在1637年發現水滴的大小不會影響光線的折射。他以玻璃球注入水來進行實驗，得出水對光的折射指數，用數學證明彩虹的主虹是水點內的反射造成，而副虹則是兩次反射造成。他準確計算出彩虹的角度，但未能解釋彩虹的七彩顏色。

后來牛頓以玻璃菱鏡展示把太陽光散射成彩色之后，關于彩虹的形成的光學原理才全部被發現。