彩虹的產生,其前提條件是晴天和下雨同時出現。在適當的條件下,水滴就像一個棱鏡,因此當一束陽光照射水滴時,光線可能直接穿過水滴或在其表面發生反射,最終將白光散射成7種顏色的可見光,進而構成每道彩虹弧線。簡而言之,折射和反射是陽光照射到水滴時所有顏色最終分解的原因所在,這樣一來肉眼就可以看到彩虹的所有顏色。
在現實當中,彩虹實際上是一個完整的圓形。然而,肉眼永遠不可能從地球表面看到圓形的彩虹,因為地平線限制了我們的視線。其根本原因在于,地平線截斷了彩虹的下半部分。肉眼看上去彩虹之所以呈半圓形,主要是因為缺乏距離信號而造成了錯覺。
在不同的位置上,肉眼就會看到不同形態的彩虹。如果向旁邊稍微移動一點兒距離,肉眼就無法從剛才的水滴中接收光線,因此就會看到形態與剛才不同的彩虹。每種顏色的光都有不同的波長。例如,紫光的波長比紅光短得多。而光的波長越短,其折射率就越大。因此,紫光比綠光的折射率更大,而黃光比紅光的折射率更大。這就可以解釋為什么彩虹的外圈是紅色,而內圈是紫色。
無論我們看到的是完整的圓形還是半圓形,彩虹本質上都是一個懸浮在大氣中的水滴集合,這些水滴能夠將散射光集中在偏離太陽光原始路徑40°~42°。因此,水滴反射的角度范圍是彩虹產生彎曲的根本原因所在。這些水滴實際上形成了一個圓弧,圓弧內的每個水滴都會散射光線并將其反射到觀察者的眼睛里。