彩虹为什么有七种颜色

张黄闫

彩虹的物理原理 彩虹是人们时常看到的一种自然界的光现象.每当五彩缤纷的彩虹当空挂时，人们都会情不自禁地争相观赏这种大自然美景.古时有人说，那是寂寞的嫦娥在云端歌舞挥起的彩绸;也有人说，那是仙女为窥视人间在云中搭起的彩桥.不管是彩绸，还是彩桥，都只不过是神奇的传说罢了.而现实中的彩虹是什么？它是如何形成的呢？ 一说到彩虹的形成，人们常把它跟.雨后.联系在一起.很多人认为只有.雨后.才能出现彩虹.其实，这种看法是不全面的.雨后.天空有时会出现彩虹，这固然是事实，但是在阳光下，喷泉或瀑布的周围也会出现彩虹;在夏天，街上奔跑的洒水车的后面，有时也会出现一段彩虹;用喷雾器在空中喷雾也可形成彩虹…….显然，那种说彩虹仅在.雨后.出现，是对彩虹的成因还不十分了解造成的.只要知道空气中存在有形成彩虹的条件，就自然知道不一定要下雨才有可能出现彩虹.

在中学物理课上，有个.光的色散.实验：取一个棱镜，让一束白光穿过狭缝射到棱镜的一侧面，通过棱镜后，前进方向改变，在白色光屏上形成彩色光带，顺序是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色.这与彩虹的颜色很相似.但是空气中是不可能有三棱镜存在却又能形成彩虹.这是何故？这是因为空气中飘浮有大量的小水滴.当太阳光照射到这些小水滴上，一个个的小水滴就像棱镜似地把白光分解成七种单色光，对阳光起分光色散作用. 阳光是如何在小水滴中产生分光色散现象？ 阳光射入小水滴，即从空气这种媒质进入水这种媒质，发生一次折射，由于构成白光的各种单色光的折射率不同，紫光波长最短，其折射率最大，红光波长较长，其折射率最小，其余各色光则介乎其间.因此，光线在小水滴内产生分光现象，各色光同时在小水滴继续传播，遇到水滴的另一界面时被反射回来，重新经过小水滴内部，出来时再一次发生折射回到空气中.这样，阳光在小水滴中进行了两次折射和一次全反射就被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光.当空气中的小水滴数量很多时，阳光通过这些小水滴，经过反射和折射作用，射出来的光集中在一起，天空中美丽的彩虹就形成了. 平时，我们看到的多数是一条彩虹，视角（从地面至虹顶的角度）约42°.有时在彩虹的外边还能看到一条颜色顺序与这条彩虹恰好相反，且较暗一些的另一条虹，这条叫副虹.主虹是内紫外红，副虹是内红外紫，副虹又叫霓.霓与主虹为同心的圆弧，两者之间天空比较暗，虹内、虹外天空比较明亮.霓的视角大约51°.它的成因与主虹基本相同.它是阳光在小雨滴中经过两次反射和两次折射而形成的，即折射——全反射——全反射——折射而形成的.在地平面上，我们看到的主虹与霓是半圆形的，那是因为它们下半部分被地面遮住了.若是站在高山顶上，就能看到主虹与霓的大部分.只有在晴朗的天气时，在飞机舱中向下看，才能看到主虹与霓的全貌，即完整圆环. 如果太阳的角度太大（例如在中午前后），或太小（近日出或落日），我们也不易看到虹，又因虹是阳光经小水滴反射进入我们眼睛的，所以彩虹永远出现在太阳的对面，因此.朝虹见于西方，夕虹见于东方.其出现以夏季为主. 主虹为何内紫外红 我们看虹時，有色的光线依着各种角度从小水滴中反射出来，对于某一质点来讲只能把某一种颜色的光线射入我们的眼帘，而从同一雨滴中折射出来的其他有色光或高或低地越过我们的眼帘，不被我们所看到.具体而言，在那些能进入我们眼帘的，并经处于最高位置的小水滴，所折射的光线中，由于红光折射率最小，偏向角也最小，所以才能进入我们的眼帘，我们看到的只是红光，其他色光由于折射率大，偏向角也大，都越过我们的头顶而去.稍低一点的小水滴，也就只能是在折射光线中偏向角比红光大，又比其余色光小的橙色光先进入我们的眼帘，而被我们看到.其余色光中，红光偏低，黄、绿、蓝、靛、紫都偏高，越过我们的眼帘不被我们所看到.以此类推，那些进入我们眼帘，并经处于最低一层位置的小水滴折射后的光线，我们只能看到的是紫光，其余色光都从我们眼皮底下溜走.这样，空中邻接的小水滴中折射出来的光线，形成一条内紫外红的彩虹. 彩虹的气象原理 空气里小水滴的大小，决定了彩虹的色彩与宽度.雨滴越大，彩虹带越窄，色彩越鲜明;雨滴越小，彩虹带越宽，色彩越黯淡.当雨滴小到一定程度时，分光和反射不明显，彩虹就消失.这说明了彩虹的形成直接与空气中雨滴的存在、多寡、大小有着直接关系，反过来说，彩虹跟天气变化有关.例如：如果彩虹的色彩从鲜艳变为暗淡，宽度从狭窄变为宽大，都说明空气中雨滴由大逐渐变小，由此，我们可以推测空气可能逐渐转向稳定，天气情况渐趋稳定.

晚虹是一种罕见的现象，在月光强烈的晚上可能出现。由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分办颜色，故此晚虹看起来好像是全白色。

造成彩虹的光学塬理彩虹是因为阳光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈，造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他颜色在下。

雨后纽伦堡上空的双道彩虹很多时候会见到两条彩虹同时出现，在平常的彩虹外边出现同心，但较暗的副虹（又称霓）。副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟主虹反转，外侧为蓝色，内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察觉而已（参看）。

彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象，彩虹看起来的所在位置，会随着观察者而改变。当观察者看到彩虹时，它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央，其实是被水滴反射，放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，刚好是观察者头部影子的方向，虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42度时，彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这亦是为甚么彩虹很少在中午出现的塬因。

彩虹由一端至另一端，横跨84°。以一般的35mm照相机，需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上，会看见彩虹会是完整的圆形而不是拱形，而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。

苏格兰上空的双重彩虹1307年时欧洲已有人提出彩虹是由水滴对阳光的折射及反射而造成。笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光线的折射。他以玻璃球注入水来进行实验，得出水对光的折射指数，用数学证明彩虹的主虹是水点内的反射造成，而副虹则是两次反射造成。他準确计算出彩虹的角度，但未能解释彩虹的七彩颜色。

后来牛顿以玻璃菱镜展示把太阳光散射成彩色之后，关于彩虹的形成的光学原理才全部被发现。