【知識點】彩虹入射點是什麼與什麼交點？入射點是什麼與什麼的交點

入射點是什麼與什麼的交點

上次講到彩虹原理，這是由空中的的水汽分子團球把太陽的直射光作了兩種外理，一種處理 是透過水汽分子團球的連續外折射機制把太陽光“折彎”了某個角度（即90°～180°之間），形成了彩虹中的“虹“。另一種處理是連續內折射所致，其把光線“折彎”的更厲害（180°～360°），形成了彩虹中的“霓”。

145，“漸變曲率”

上講講到某種角度的入射光線進入了收縮型水汽分子團球后，發生了連續內折射並導致色散，那麼連續內折射的光線具有什麼規律性呢？

不同角度進入收縮型水汽分子團球中的入射光線“折彎”的程度是不同的，這叫“漸變曲率”。

雖然“水分子球”是球狀的，它的面並不是直線型的（就如同空氣和水的介面總是直線型的一樣），但也存在一個入射光線的角度問題，否則根據什麼確定折射是內折射還是外折射呢？

“水分子球”與其他物質的介面叫“曲介面”，入射光線與“曲介面”的交點叫“入射點”，入射光線與入射點的切線形成的角叫“入射角”

【上圖綠線圓表示水分子球（連續外折射時的情形），其對外的介面即“曲介面”，圖中畫了三條入射光線，形成三個入射點（紅點），入射點的切線（黃色線段）與入射光線形成的角為入射角】

在連續內折射的情況下（彩虹時刻），對一個水分子球來說，許多太陽光線平行進入球內，因為內部的“漸變光阻”使光線發生了不同的彎折，如下圖

綠線圓代表水分子球，從不同位置和不同角度射入的光線各有不同程度的“折彎度”，圖中只畫了五條不同位置的入射光線（白光），它們都是從球上半部直線射入，經“曲射”後從下半部射出，再轉為直射光線，中間紅色細線表示垂直於介面的入射光線不會發生任何折彎，而是經球心直射出去。

從上圖可以看出，所謂“漸變曲率”就是入射光線離球心越近，曲射光線的曲率越大，離球心越遠的光線，彎曲程度越小

146，“曲射度”

所以當太陽的無數平行光線進入到任何一個“收縮型水汽分子團球”中時，其中的每條光線都有各自的“曲射度”，前邊講連續外折射時就講過平行光線進入“膨脹型水汽分子團球”後，每條光線也有不同的“曲射度”。

【連續外折射情況下平行光線進入每個水分子球內的運動路徑，中間紅色細線代表垂直進入，不發生任何偏折的光線，白線圓代表水分子球】

但是當太陽的平行光線進入收縮型水分子球時其運動路徑是這樣的。

【連續內折射的情況下平行光線進入水分子球后的不同的“曲射度”，白線圓代表水分子球，綠色細線代表光線經水分子球曲射後出來的直射光線，白色的平行細線則代表入射的太陽光】

內折射的“曲射光線”與連續外折射的“曲射光線“最大的不同有兩個，一，連續內折射的折射角度總是大於180°，小於360°，而連續外折射的折射角度總是大於90°而小於180°，二，連續外折射的光線總是在球心“入射”的一側（叫“入射側”），不經過球心，而連續內折射的光線全部繞過球心，然後再從“入射側”射出球心。

之所以空氣中同樣的水汽分子團球（水分子球）遇到同樣的太陽光卻發生了不同的折射，這是因為“水分子球”處在不同的內部作用當中，即上講講過的“膨脹型水汽分子團球”和“收縮型水汽分子團球”兩種狀態。

怎麼同一區域會出現兩類完全不同的“水分子球”呢？

如果既出現了虹，上邊又出現了霓，就是因為空中的水汽出現了兩個“層”一個是“水汽膨脹層”，一個是“水汽收縮層”。

【球狀水汽團分層】

在“水汽膨脹層”和“水汽收縮層”之間還有個“過渡帶”——亞歷山大暗帶，這叫”兩層夾一帶”。

147，“兩層夾一帶”

如果沒有這兩個“層”，我們就沒有理由認為為什麼會出現霓和虹，因為二者形成方式相反，霓是陽光的光線往下彎形成的，卻位於虹的上方，而虹是光線往上彎形成的，卻位於霓的下邊。

【上圖就是霓和虹的形成原理，上邊的霓屬於“水汽膨脹層”，上面那個白線圓代表此層中的“某個“水汽分子團球，白色條代表太陽光，射入該層即會被水分子球形成色散（連續外折射），入射光線與曲射光線的夾角分別是50°～53°，下邊的是虹，該層屬於”水汽收縮層”，此處的白線圓代表此層中的水分子球，太陽光（白色條）射入後形成連續內折射導致色散，入射光線與曲射光線的夾角分別是40°～42°】

為什麼同一區域，各方面的物理條件，化學條件都是相同的，卻有的水分子球使光線往上彎？有的卻使光線往下彎？

現在的光學理論認為虹是光線在小水珠內經過兩次折射，一次反射形成的，霓是光線在小水珠內經過兩次折射，兩次反射形成的，而不是如本論認為的“曲射”，但不能說明為什麼會這樣。

上圖中左邊代表虹的形成，似乎光線總是選擇從小水珠上邊進入後往下折，右邊代表霓的形成，光線總是從下邊往上彎，兩折兩反後才進入人眼。

不但如此，現在的光理論對霓和虹之間的“暗帶”即亞歷山大帶也不能說明，既使對於霓和虹為什麼都是往下彎，卻又象橋一樣，中間高兩邊低，這種情況下觀察角度（虹是42°～40°，霓是50°～53°）是怎麼確定的？

所以僅僅用上面的折射方式來解釋霓和虹是不行的，它無法解釋為什麼光線會“選擇性”地進入小水珠，或者是小水珠“選擇性”地吸收光線，只是為了讓人觀察它，也無法解釋為什麼是上霓和下虹，又為什麼都是朝下彎？

所以必須認為空中的水汽分為兩“層”，而只有在兩“層”的內部才會發生光線“上彎”和“下彎”的情形，“亞歷山大暗帶”則是一個從“水汽膨脹層”向“水汽收縮層”過渡的一個層，其他區域雖然同樣有水汽分佈，卻不能出現彩虹。

148，“球狀水汽團”

為什麼會有這麼兩個“層”呢？因為彩虹都是雨後形成的，雨後氣溫高，地面水汽蒸發大，大量水汽分子團升上空中，擠在一起向上膨脹，以一個“半球狀”向上升，形成上下兩個“半球層”，上層是正在膨脹的水汽層，下層是在大氣壓力下收縮的水汽層，中間是“過渡帶”。“過渡帶”中的水汽不脹不縮，水汽分子團球內沒有力的作用，所以光線進入其中是直線運動的，不發生色散。

只有光線進去，沒有光線出來，這就是亞歷山大帶發暗的原因。

【霓和虹之間的亞歷山大帶之所以發暗，是因為其處在不脹不縮的狀態，太陽光射入此帶，此帶中的水汽分子球既不“曲射”，也不色散，而是透過兩次折射後（第一次向內，第二次向外）繼續向前，沒有返回的光線，因此發暗】

暗帶的存在證明本論的觀點是正確的。

我們前邊說過，光線在均勻媒質中是沿直線傳播的，而不管媒質是什麼形狀，所以並不是因為水分子球是球狀體才造成色散，比如玻璃球就不會發生色散，還有水晶球，也不會發生色散，因為它們內部沒有“膨脹力”或“收縮力”，分子和原子均勻分佈，因而光阻到處都是一樣的，沒有“漸變光阻”，所以光線在其中是直線傳播的。

為什麼“球狀水汽團”上層膨脹下層收縮呢？

這是因為下層受的壓力大（大氣壓的特點就是如此，越往下壓力越大），“球狀水汽團”中的水汽分子團球的“膨脹力”小於此處的大氣壓力，因而在重壓下收縮變小，導致出現“漸變光阻”。

而最上層仍然在“緩慢”膨脹（過一會兒就停止膨脹），如果一直膨脹，彩虹就會一直存在，但實際上彩虹現象只是一會兒就消失了，這時水汽分子團球並沒有消失，只是不脹不縮，光線進入不是“曲射”，而是折射出去，象我們平時看到的折射那樣。

正是“球狀水汽團”有了這個“分層”以後，才能形成兩種截然不同的水汽分子團球，才能導致兩種截然不同的“曲射”，才能從各方面合理解釋霓和虹的現象。

這樣，當蒸發的水汽分子團球密集聚在一起向上升，並且形如“半球”狀時，這個時侯“半球”介於“半脹半縮，上脹下縮”的特定的狀態中時，在陽光照射下才會出現彩虹現象。

不過，既然光線射入同一“作用”層中會發生同樣的曲射或折射，而人觀察彩虹又具有特定的角度（40°～42°或50°～53°），可是彩虹又都是彎曲的，同一層中高度不同，即彩虹的“高度差異”不會導致觀察角度的差異嗎？

這個問題下次再說。