昨天北京下了場大雨，雨過天晴，很多人都看到了美麗的彩虹。比較特別的是，昨天拍到的彩虹都是兩條一起出現的。
圖片來自：故宮博物院
如果大家仔細觀察，就會發現較低的彩虹外側是紅色，內層是紫色，稱為“主虹”或者“虹”，而較高的彩虹外側是紫色，內側是紅色，稱為“副虹”或“霓”，所以“霓虹”才是彩虹的全稱。這種現象是如何形成的呢？
一、光的折射
為了解釋彩虹的形成，我們首先要解釋光的折射。
當光從一種介質斜射入另一種介質時，傳播方向一般會發生變化。例如，光線從空氣斜射入水中時，折射光線會更偏向垂直水面的軸線，這個軸線稱為“法線”。
最早對摺射現象進行正確解釋的人是荷蘭物理學家惠更斯。
惠更斯
他指出：波發生折射的原因是波在不同介質中傳播速度不同。並且，根據光的折射規律，光在空氣中傳播速度快，在水中傳播速度慢。
二、光的色散
光在介質中的速度主要由介質決定，例如水中的光速大約是真空中的3/4，玻璃中的光速大約是真空中的2/3。但是，即便是同一種介質，不同顏色的光傳播速度也有微小的差別，這就造成了不同顏色的光在折射時的偏折程度不同。
我們知道，白色光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的單色光構成的。如果一束白光進入介質，由於每種色光偏折程度不同，出射時就不再是白色，而是分成了七種顏色。這個現象就稱為色散，最早是由牛頓發現的。
如圖所示，牛頓讓一束白光透過三稜鏡，他發現：出射光分為七種顏色。相比於原來的入射方向，紅色光偏折最小，紫光偏折最大。這個規律在任何介質折射時都是適用的。
當空氣中有小水滴時，光線進入小水滴會發生折射和反射。由於剛才所說的原因，不同顏色的光在發生折射時偏折程度不同，不同顏色的光彼此分開，人們就觀察到了五顏六色的彩虹。
三、虹的形成
我們首先來解釋一下主虹（虹）的形成。
光線進入水滴時，可能會發生兩次折射和一次反射，然後射出水滴，如下圖所示。
光線首先透過一次折射進入水滴，再透過一次反射和一次折射射出水滴。由於色散的原因，對於同一個水滴的出射光，紫色光偏折程度大，偏向水平；而紅色光偏折程度小，偏向豎直。於是就形成了紫光在上，紅光在下的情況。在紅光到紫光之間，分佈著橙黃綠藍靛幾種顏色。
當人們進行觀察時，空氣中分佈的許多水滴都形成類似的效果，如下圖所示。
大家注意：同一個水滴發出的光不能全部進入我們的眼睛，因為一個水滴色散後的光線是向不同方向發射的。我們所接收的是不同水滴出射的光。這樣一來，接收到的最上方的光更加偏向豎直，相比於原來的入射方向偏角最小，是紅色；最下方的光線更加偏向水平，相比於原來光線的入射方向偏角最大，因此是紫色。於是我們就看到了外紅內紫的主虹。
四、霓的形成
副虹（霓）的形成原因類似，只不過，它是光線在水滴中進行了兩次折射和兩次反射形成的。
如圖所示，在這種情況下，由於紅光偏折程度小，射出時更加偏向水平；紫光偏折程度大，射出時更加偏向豎直，剛好與主虹相反，於是就造成了外紫內紅的效果。
一般而言，虹與霓會同時出現，而且霓更高。只是由於霓多了一次反射，比虹弱很多，所以有時候人們認為只有一層彩虹。
美麗的彩虹讓人們產生了諸多幻想，古希臘人認為彩紅女神伊裡絲是宙斯的使者。但是隻有科學才能讓我們真正認識自然，瞭解自然。
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