前兩天北京下了場(chǎng)大雨，雨過(guò)天晴，很多人都看到了美麗的彩虹。比較特別的是，這回的彩虹是雙層的。

如果大家仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)較低的彩虹外側(cè)是紅色，內(nèi)層是紫色，稱(chēng)為“主虹”或者“虹”，而較高的彩虹外側(cè)是紫色，內(nèi)側(cè)是紅色，稱(chēng)為“副虹”或“霓”，所以“霓虹”才是彩虹的全稱(chēng)。這種現(xiàn)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(dāng)光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向一般會(huì)發(fā)生變化。例如，光線從空氣斜射入水中時(shí)，折射光線會(huì)更偏向垂直水面的軸線，這個(gè)軸線稱(chēng)為“法線”。

最早對(duì)折射現(xiàn)象進(jìn)行正確解釋的人是荷蘭物理學(xué)家惠更斯。

他指出：波發(fā)生折射的原因是波在不同介質(zhì)中傳播速度不同。并且，根據(jù)光的折射規(guī)律，光在空氣中傳播速度快，在水中傳播速度慢。

如圖，一束平行光照射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，各條光線并不是同時(shí)到達(dá)界面的。下方的光線先到界面A點(diǎn)，上方光線此時(shí)只到達(dá)了B。隨后，A就會(huì)在第二種介質(zhì)中傳播，而光線B繼續(xù)在第一種介質(zhì)中傳播。由于在第二種介質(zhì)中光的傳播速度比較慢，當(dāng)B光線從傳播到界面上的B0點(diǎn)時(shí)，光線A會(huì)從A傳播到A'點(diǎn)，并且AA'<BB0，這就造成了光線的偏折。宛如一輛汽車(chē)本來(lái)在柏油馬路上走，右前輪突然進(jìn)入了沙土地面，此時(shí)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向就會(huì)發(fā)生偏折。

二、光的色散

光在介質(zhì)中的速度主要由介質(zhì)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(zhì)，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(shí)的偏折程度不同。

我們知道，白色光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色的單色光構(gòu)成的。如果一束白光進(jìn)入介質(zhì)，由于每種色光偏折程度不同，出射時(shí)就不再是白色，而是分成了七種顏色。這個(gè)現(xiàn)象就稱(chēng)為色散，最早是由牛頓發(fā)現(xiàn)的。

如圖所示，牛頓讓一束白光通過(guò)三棱鏡，他發(fā)現(xiàn)：出射光分為七種顏色。相比于原來(lái)的入射方向，紅色光偏折最小，紫光偏折最大。這個(gè)規(guī)律在任何介質(zhì)折射時(shí)都是適用的。

當(dāng)空氣中有小水滴時(shí)，光線進(jìn)入小水滴會(huì)發(fā)生折射和反射。由于剛才所說(shuō)的原因，不同顏色的光在發(fā)生折射時(shí)偏折程度不同，不同顏色的光彼此分開(kāi)，人們就觀察到了五顏六色的彩虹。

三、虹的形成

我們首先來(lái)解釋一下主虹（虹）的形成。

光線進(jìn)入水滴時(shí)，可能會(huì)發(fā)生兩次折射和一次反射，然后射出水滴，如下圖所示。

光線首先通過(guò)一次折射進(jìn)入水滴，再通過(guò)一次反射和一次折射射出水滴。由于色散的原因，對(duì)于同一個(gè)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。于是就形成了紫光在上，紅光在下的情況。在紅光到紫光之間，分布著橙黃綠藍(lán)靛幾種顏色。

當(dāng)人們進(jìn)行觀察時(shí)，空氣中分布的許多水滴都形成類(lèi)似的效果，如下圖所示。

大家注意：同一個(gè)水滴發(fā)出的光不能全部進(jìn)入我們的眼睛，因?yàn)橐粋€(gè)水滴色散后的光線是向不同方向發(fā)射的。我們所接收的是不同水滴出射的光。這樣一來(lái)，接收到的最上方的光更加偏向豎直，相比于原來(lái)的入射方向偏角最小，是紅色；最下方的光線更加偏向水平，相比于原來(lái)光線的入射方向偏角最大，因此是紫色。于是我們就看到了外紅內(nèi)紫的主虹。

四、霓的形成

副虹（霓）的形成原因類(lèi)似，只不過(guò)，它是光線在水滴中進(jìn)行了兩次折射和兩次反射形成的。

如圖所示，在這種情況下，由于紅光偏折程度小，射出時(shí)更加偏向水平；紫光偏折程度大，射出時(shí)更加偏向豎直，剛好與主虹相反，于是就造成了外紫內(nèi)紅的效果。

一般而言，虹與霓會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，而且霓更高。只是由于霓多了一次反射，比虹弱很多，所以有時(shí)候人們認(rèn)為只有一層彩虹。

美麗的彩虹讓人們產(chǎn)生了諸多幻想，古希臘人認(rèn)為彩紅女神伊里絲是宙斯的使者。但是只有科學(xué)才能讓我們真正認(rèn)識(shí)自然，了解自然。

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