炎熱的夏季，一場大雨，天空開始放晴後，我們經常會發現天空出現了一條彎彎的、連續的彩色光帶，也就是咱們俗稱的「彩虹」。
就如為什麼天空是藍色的一樣，人們對於日常生活中司空見慣的現象，很少會主動發出疑問。但話又說回來了，天空藍色是由於大氣分子對光的散射作用，那麼彩虹為何彎曲，又為何擁有七彩顏色呢？
透過現象看本質，彩虹這種現象很明顯屬於光學現象，因此想要解釋這種現象的成因，必定離不開光及其傳播性質。因此咱們接下來就來詳細地談一談這個問題。
從牛頓利用三稜鏡發現太陽光是複合光（能分解出多種單色光），而彩虹的顏色正好對應著太陽光色散後的多種顏色，因此彩虹的形成應該離不開一個被稱為「折射」的過程。科學家們發現，天空中的小水珠恰好起到了這個折射作用（這也是為什麼彩虹比較容易出現的雨後的晴天）。
因此咱們先從單個小水珠出發，見下圖
圖中的圓圈代表一個小水珠，而實線則代表光線。從入射光開始，當光線穿過水珠表面時，會出現折射現象（也會有一部分被反射走），我們會發現光線的方向發生了偏折，而這個偏折的角度可以由明確的物理定律給出（與折射率有關）。
當第一次折射完成後，光線繼續在水珠內傳播，當第二次遇到水珠邊緣時，就會出現反射的現象（也有一部分被折射出去，全反射除外）；而反射後的光線最後會第三次碰到水珠邊緣，此時光線又會出現第二次的情況，一部分反射、一部分折射。因為最終我們能看將彩虹，因此我們需要研究的是光線在水珠內經歷折射、反射、再折射的過程。
既然牛頓的色散實驗告訴我們太陽光是複合光，那麼一束光線入射小水珠時，我們就可以研究其中的一種單色光的行為，因為水珠內對不同單色光的折射率是不一致的，因此先研究一種單色光，比較方便。
比如咱們先從紅光開始，因為不可能只有一個光子進入水珠，而是無數條平行紅光會入射水珠，所以水珠的一面上的各點都在發生折射，而由於各點入射角的差異，導致最後光線從水珠出來時，光線的密集程度也不一樣，即強度不一致（可以見下面的動圖）
我們發現，在其中一個角度上，光線是較為密集的（強度大），所以這個角度上的光就最容易被感知。那麼這個角度是怎麼得來的呢？(或者說那裡光線比較密集是怎麼發現的)
第一種方法就是畫圖，但為了準確就需要畫出非常多的光線，並且最後也只能給出一個模糊的範圍。因此，咱們就採用最精確的數學計算，從幾何關係咱們可以得到一些角度之間的函數方程和圖案，最後發現，如果是紅色光，那麼光線密集處就集中在42.5度附近（前一幅圖中的γ角）
然而還有一點是動圖所沒有給出的，就是立體性
因為動圖給出的是二維畫面，但實際上水珠是球形立體的，因此可以想像當光線照射水珠時，最後出來的光線應該是向四周散去，而其中光線最為密集的就形成了一個近似光錐的形狀（見下圖）
只要人眼處於這個光錐面上的任意一點，都可以看到水珠折射出的紅光。可以想像，當天空中小水珠比較充足且均勻時，各個小水珠都可以成為折射光源，但由於咱們人只有一個，且只能處於空間中指定的一點，因此人只能處於一部分角度恰當的水珠光錐面上。
在這個光錐面上的每一個小水珠都成了彩虹的一分子，但我們無法分辨出各個小水珠離咱們的距離，但由於處在一個光錐面（也就是角度相同），因此最後給我們的感覺就是在天空中某個距離的平面上形成了一條彎曲的光帶，這就是彩虹為什麼是彎的原因。
但上圖這樣的彩虹應該是不可能出現的，彩虹的側面是不存在的，從上面的解釋可以看出，我們只能從彩虹的正前方觀看。
但上面只說了單色紅光的情況，那麼彩虹中其它顏色的光又是怎麼樣的呢？又是怎樣按照紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫 的順序排列出的呢？
在之前那個小水珠的圖上，我們看到了α、β、γ三個代表角度的字母，其中α是光線最後偏折的角度，β是入射角，γ是180度減去α後剩下的角度，這個角度代表著該方向的光線將被人眼觀測到。
由於各單色光的在水珠中的折射率不一致，因此最後形成的γ角也不一致，其中紅色光最大，約42.5度，而藍紫光在41度左右。由於角度的不一致，進而導致彩虹的顏色由上而下依次為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等等。
於是乎，彩虹為什麼是彎的，色彩的由來等就這樣被光學規律明確的解釋了。
最後還要告訴大家一點就是，由於每個人站的空間位置都是不一致的，那麼發出彩虹顏色的小水珠也都不相同，因此每個人看到的彩虹都是獨一無二的，每個人都有屬於他自己的彩虹。
本篇文章的內容到此結束。
謝謝各位閱讀！
以後還會不斷更新精心準備的通俗科普長文