彩虹的形成原理

咸立德

摘 要：現(xiàn)代物理學關于彩虹的形成原理是錯誤的。細小水珠在穩(wěn)定的下落時，水珠在空氣的助力下形成卵形（橢球體）性質，光在卵形水珠內才能形成全反射，所以，細小水珠在下落中具有卵形性質才是形成彩虹的必要條件。

關鍵詞：彩虹 橢球形水珠 色變 全反射

本文對現(xiàn)代物理學中的彩虹形成原理提出了質疑，同時用另一種理論重新解釋了彩虹的形成原理，意在讓人類重新認識彩虹這一自然現(xiàn)象的真實性。

一、對現(xiàn)代物理學中的彩虹形成原理的質疑

現(xiàn)代物理學認為，彩虹是太陽光照射到空氣中的細小球形水珠時，太陽光經(jīng)過了兩次折射（同時色散）和一次全反射而形成的一種自然現(xiàn)象。如圖1（a）所示。

這種邏輯與推理是違背光的全反射的條件的。如圖1（b）所示，當太陽光在a點以入射角為∠1進入小水珠，折射后，折射角為∠2，然后到達水珠的界面b點，在b點的入射角為∠3。根據(jù)水珠的球形性質及折射定律，有∠2=∠3，所以，光完全可以在b點以∠4的折射角射出水珠，而且有∠1=∠4。

又，根據(jù)光的全反射的條件，當∠4=90°時，即∠1=90°時，在b點才能發(fā)生全反射。但是，當入射角∠1=90°時，即是光沿著水珠的切線方向，光是不會進入水珠的。另一方面，即便是在a處，以極近90°的入射角能射入水珠，而且在b處能發(fā)生全反射，那么根據(jù)水珠的球形性質，如圖1（a），在c處也應當發(fā)生全反射的，就不會在射出水珠。況且，太陽光以極近90°的入射角射入水珠的光應當很少，因為光隨著入射角的增大，反射性能會逐漸增強而折射性能逐漸減弱。

由以上分析可知，現(xiàn)代物理學關于彩虹的形成原理是完全錯誤的。

二、彩虹的成因

若要光在水珠內的發(fā)射發(fā)生全反射，水珠必須具有橢球性質或者卵形性質。如圖2。

由于卵形體表面的兩端a、c兩處界面曲率較大，中間部分的b處的界面曲率較小，光在兩端附近極近90°射入水珠的光，折射后在界面曲率較小的b處發(fā)射時，會導致角3大于角2的情況。在b處就具備全反射的條件。即角3很容易大于臨界角而發(fā)生全反射。

由于b處的界面曲率小于c處的界面曲率，在b處全反射的光不可能在c處繼續(xù)發(fā)生全反射而射出卵形水珠形成彩虹現(xiàn)象。也就是說，水珠具有卵形性質是形成彩虹的必要條件。

當把圖2的光路圖反過來，就是考慮從a處入射較強的自然光時，在a處射出的光同樣可以形成彩虹。這也是在俯視一些有水蒸氣的區(qū)域時也有彩虹現(xiàn)象的原因，比如俯視瀑布下方的水汽區(qū)域，常會出現(xiàn)彩虹。

而在低端附近d入射的光，折射后，同樣可以經(jīng)過e、f處的內反射以及g處的折射而形成霓。同理，在e處也可以發(fā)生一次全反射。也就是說，霓的形成原理也必須發(fā)生一次全反射才能夠產(chǎn)生較強的光的色變而被觀測到。

也就是說，按現(xiàn)代物理學的球形水珠來描述彩虹，并不是不存在，只是由于發(fā)生的是內反射，而不是全反射，強度就會減弱很多，肉眼是很難觀察到的。所以，彩虹的形成，也必須發(fā)生一次全反射，才能夠有較強的光的色散，足以讓肉眼能夠觀察到。

三、卵形水珠的形成

當水分子形成細小水珠的過程中，質量不是很大時，由于空氣的浮力，水珠會漂浮在空氣中，此時水珠可以具有極近正球體性質。而當水珠逐漸增大時水珠就會慢慢下落，在下落過程中，水珠會在空氣阻力作用下形成上下為長半徑的橢球性質，而且具有上大下小的卵形性質。由一下實驗可以證明。

實驗器材：噴壺一個。

試驗方法：用噴壺在陽光下，背向太陽光向上噴出大片細小水珠。

觀察結果：彩虹是在水珠穩(wěn)定下落的區(qū)域形成的。

結論：噴壺所噴的水珠，在空氣阻力作用下，只有穩(wěn)定下落過程中具有上下為長半徑的橢球或者蛋形性質。此處產(chǎn)生彩虹現(xiàn)象是符合本文的理論的。

分析：彩虹的觀察方向和水珠的長半軸的方向有關，彩虹是水珠具有橢球性質形成的。理論上并不是說只有下落過程中才能形成彩虹，在有些情況中，水珠也會在空氣流動的影響下，在其它方向上形成橢球性質。在相應的其它方向上也可以形成彩虹。只是在其他方向上的運動基本都不是很穩(wěn)定的。所以一般情況下，當空氣較穩(wěn)定時水珠的下落就較穩(wěn)定，才能容易形成彩虹。而當水平方向有運動時本來就是空氣不穩(wěn)定才能導致水平運動，所以水平運動一般會伴隨著不穩(wěn)定，形成水平方向上的長半軸水珠就不穩(wěn)定，很難形成彩虹。所以，其它方向上的彩虹是稀有的。上下方向的彩虹（昂視或者俯視）是最常見的。

四、結論

彩虹是光在空氣和卵形水珠之間發(fā)生了兩次折射和一次全反射而形成的一種現(xiàn)象。