双层彩虹是怎么回事？

昨天北京下了场大雨，雨过天晴，很多人都看到了美丽的彩虹。比较特别的是，昨天拍到的彩虹都是两条一起出现的。

图片来自：故宫博物院

如果大家仔细观察，就会发现较低的彩虹外侧是红色，内层是紫色，称为“主虹”或者“虹”，而较高的彩虹外侧是紫色，内侧是红色，称为“副虹”或“霓”，所以“霓虹”才是彩虹的全称。这种现象是如何形成的呢？

一、光的折射

为了解释彩虹的形成，我们首先要解释光的折射。

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”。

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。

惠更斯

他指出：波发生折射的原因是波在不同介质中传播速度不同。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。

如图，一束平行光照射到两种介质的界面时，各条光线并不是同时到达界面的。下方的光线先到界面A点，上方光线此时只到达了B。随后，A就会在第二种介质中传播，而光线B继续在第一种介质中传播。由于在第二种介质中光的传播速度比较慢，当B光线从传播到界面上的B₀点时，光线A会从A传播到A'点，并且AA'<BB₀，这就造成了光线的偏折。宛如一辆汽车本来在柏油马路上走，右前轮突然进入了沙土地面，此时汽车的运动方向就会发生偏折。

二、光的色散

光在介质中的速度主要由介质决定，例如水中的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，不同颜色的光传播速度也有微小的差别，这就造成了不同颜色的光在折射时的偏折程度不同。

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，由于每种色光偏折程度不同，出射时就不再是白色，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，他发现：出射光分为七种颜色。相比于原来的入射方向，红色光偏折最小，紫光偏折最大。这个规律在任何介质折射时都是适用的。

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，不同颜色的光彼此分开，人们就观察到了五颜六色的彩虹。

三、虹的形成

我们首先来解释一下主虹（虹）的形成。

光线进入水滴时，可能会发生两次折射和一次反射，然后射出水滴，如下图所示。

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。由于色散的原因，对于同一个水滴的出射光，紫色光偏折程度大，偏向水平；而红色光偏折程度小，偏向竖直。于是就形成了紫光在上，红光在下的情况。在红光到紫光之间，分布着橙黄绿蓝靛几种颜色。

当人们进行观察时，空气中分布的许多水滴都形成类似的效果，如下图所示。

大家注意：同一个水滴发出的光不能全部进入我们的眼睛，因为一个水滴色散后的光线是向不同方向发射的。我们所接收的是不同水滴出射的光。这样一来，接收到的最上方的光更加偏向竖直，相比于原来的入射方向偏角最小，是红色；最下方的光线更加偏向水平，相比于原来光线的入射方向偏角最大，因此是紫色。于是我们就看到了外红内紫的主虹。

四、霓的形成

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。