一、核心要素：阳光与雨滴
阳光的本质：
太阳光看似白色，实则是混合了所有可见光波长的复色光。不同颜色对应不同波长（红光最长约700nm，紫光最短约400nm）。
雨滴的角色：
雨后悬浮在空中的雨滴近似球形透明棱镜。当阳光射入雨滴时，会经历折射→反射→再折射的复杂路径。
二、光线在雨滴内的关键路径
第一次折射（进入雨滴）：
阳光从空气（低密度）进入水滴（高密度）时发生折射，不同波长的光偏折角度不同（色散现象）。
→ 紫光折射角最大，红光最小（波长越长，折射越弱）。
内壁反射：
折射后的光线在雨滴内后壁发生一次反射（主虹）或两次反射（副虹）。
第二次折射（离开雨滴）：
反射后的光线再次折射出水滴，进一步分离色光，最终射向观察者眼睛。
三、七色光谱的诞生：光的色散
色散原理：
水滴对不同波长光的折射率不同（n_紫 > n_红），导致白光被分解成连续光谱。
→ 牛顿用三棱镜实验首次证实该现象。
七色排序的物理依据：
离开雨滴时，紫光偏折角度最大（约40°），红光最小（约42°），因此人眼看到的彩虹外圈为红光，内圈为紫光。
四、彩虹的弧形与观测位置
为什么是圆弧？
只有与太阳光成特定角度（主虹约42°，副虹约51°）的雨滴反射的光能进入人眼。这些雨滴构成一个圆锥体（以人眼为顶点，太阳光反方向为轴）。
→ 地面截取该圆锥体，形成圆弧（若从高空可观测到完整圆环）。
主虹与副虹的区别：
| 特征 | 主虹（一次反射） | 副虹（二次反射） |
|----------------|-------------------------|-------------------------|
| 颜色顺序 | 外红内紫 | 外紫内红（颜色反转） |
| 亮度 | 较亮 | 较暗（光线多一次反射损失）|
| 角度 | 42° | 51° |
| 中间暗区 | 无 | 亚历山大暗带（51°-42°）|
五、七色划分的科学与人文
连续光谱的简化：
可见光谱实际是无限渐变的，但人类为方便描述将其分为七色（牛顿受音乐七音阶启发，加入“靛蓝”凑成七色）。
颜色数量争议：
现代光学认为主要色带为红、橙、黄、绿、蓝、紫六色，靛蓝（indigo）是蓝紫过渡色的主观划分。
六、彩虹的观测条件
必要条件：
- 背对阳光：观察者需位于太阳与雨幕之间。
- 低角度太阳：太阳高度角需低于42°（如清晨或傍晚雨后）。
- 密集雨滴：空中需有大量均匀球状水滴（雾虹、瀑布虹同理）。
罕见变体：
- 月虹：月光下的彩虹（亮度极低，呈白色）。
- 超数彩虹：三次以上反射形成的弱彩虹（通常需实验室观测）。
七、彩虹的物理本质总结
彩虹是阳光在雨滴中经历色散与反射后，以特定角度（42°或51°）进入人眼所形成的。每一滴雨都像一台微型分光仪，将白光分解为连续光谱，而无数雨滴的集体作用最终在人眼中拼出跨越天际的七彩光带。
延伸思考：彩虹为何如此震撼？
- 光学与美学的统一：彩虹的弧度遵循严格的物理定律，却因随机分布的雨滴展现出自然的不规则美感。
- 瞬逝性：水滴不断蒸发降落，每一道彩虹都是独一无二的时空切片。
- 文化象征：从希腊神话中彩虹女神伊里斯，到现代LGBTQ+平权标志，彩虹始终承载着人类对希望与多元的寄托。
下次邂逅彩虹时，不妨驻足片刻——你看到的不仅是阳光与水雾的游戏，更是光与物质在宇宙尺度写下的浪漫诗篇。
