彩虹是光的色散现象，它是光线遇到空气中的水滴经过折射和全反射形成的，并有主虹（虹）和副虹（霓）之分。
什么是折射
光在不同介质中传播速度不同，当光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化。例如， 光线从空气斜射入水中时，折射光线会更偏向垂直水面的轴线，这个轴线称为法线。
值得注意的是：折射并不是光特有的现象，任何波在两种介质的界面上都可能发生折射。例如下图是水波的折射示意图。
最早对折射现象进行正确解释的人是荷兰物理学家惠更斯，他指出：波的折射原因是波在不同介质中传播的速度不同。并且，根据光的折射规律，光在空气中传播速度快，在水中传播速度慢。
什么是色散
在介质中，光速主要由介质决定，例如水中光速大约是真空中的3/4，玻璃中的光速大约是真空中的2/3。但是， 即便是同一种介质，不同颜色的光在传播时速度也有微小的差别，这就造成了不同颜色的光在折射时偏折程度的不同。
我们知道，白色光是由红橙黄绿蓝靛紫七种颜色的单色光构成的。如果一束白光进入介质，由于在介质中光速的微小差别，每种色光偏折程度不同，出射时就不是白色，而是分成了七种颜色。这个现象就称为色散，最早是由牛顿发现的。
如图所示，牛顿让一束白光通过三棱镜，发现出射光分为七种颜色。而且相比于原来的入射方向，红色光偏折最小，紫光偏折最大。
虹和霓有什么区别
当空气中有小水滴时， 光线进入小水滴会发生折射和反射。由于刚才所说的原因，不同颜色的光在发生折射时偏折程度不同，由此会出现色散现象。
彩虹出现时，有主虹（虹）和副虹（霓），二者的颜色顺序相反。虹是外红内紫，霓是外紫内红。由于霓一般比虹弱很多，所以有时候人们会只观察到主虹。
主虹的形成是光线进入水滴时，发生了两次折射和一次反射形成的。
如图所示：光线首先通过一次折射进入水滴，再通过一次反射和一次折射射出水滴。对于同一个水滴的出射光，紫色光偏折程度大，偏向水平；红色光偏折程度小，偏向竖直。
当我们在某个固定地点观察时，空气中分布的水滴都形成类似的效果，如图所示。
大家注意：同一个水滴发出的光不能全部进入我们的眼睛，我们所接收的是不同水滴出射的光。最上方的光更加偏向竖直，因此是红色；最下方的光线更加偏向水平，因此是紫色。于是我们就看到了外红内紫的主虹。
副虹（霓）的形成原因类似，只不过，它是光线在水滴中进行了两次折射和两次反射形成的。
如图所示，在这种情况下，红光偏折程度小，更加偏向水平；紫光偏折程度大，更加偏向竖直，刚好与主虹相反，于是就造成了外紫内红的效果。
一般而言，虹与霓同时出现，而且霓更高。
只是由于霓多了一次反射，比虹弱很多，所以有时候人们认为只有一层彩虹。
美丽的彩虹让人们产生了诸多幻想，古希腊人认为彩红女神伊里丝是宙斯的使者。但是只有科学才能让我们真正认识自然，了解自然。
微信公众号“李永乐老师”原创文章，文中部分图片源于网络。本文首发于悟空问答并有改动。
李永乐
李永乐老师：北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。
扫二维码，关注公众号
↙↙↙点击下方阅读原文，进入李老师物理直播课堂。
继续阅读
阅读原文