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白光看起来是无色的，但实际上它是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光组成的复合光。每种颜色的光都有不同的波长，红光波长最长约700纳米，紫光波长最短约400纳米。当白光通过三棱镜时，不同波长的光会发生不同程度的折射，从而分解成美丽的光谱。这就是彩虹形成的基础原理。
光的折射是彩虹形成的关键物理原理。当光从空气进入水滴时，由于两种介质的折射率不同，光线会发生弯曲。根据斯涅尔定律，入射角和折射角的正弦值比等于两种介质的折射率比。空气的折射率约为1.0，水的折射率约为1.33。更重要的是，不同颜色的光在同一介质中的折射率略有不同，红光的折射率较小，蓝光的折射率较大，这就导致了不同颜色光的折射角度存在微小差异。
色散现象解释了白光为什么会分解成不同的颜色。根据柯西色散公式，光的折射率与波长有关，波长越短的光，折射率越大。在水中，红光的折射率约为1.331，而蓝光的折射率约为1.337。当白光通过三角棱镜时，不同颜色的光会发生不同程度的折射，从而分离成彩色光谱。同样的原理也适用于球形水滴，当阳光进入水滴时，也会发生色散现象，这是彩虹形成的关键步骤。
在球形水滴中，阳光经历了完整的光学过程。首先，阳光从空气进入水滴时发生第一次折射，此时白光开始分散成不同颜色。然后，光线在水滴内部发生全反射，这个过程保持了光的强度。最后，光线从水滴中出射时发生第二次折射，进一步增强了色散效果。整个过程中，42度这个临界角度非常重要，它决定了彩虹在天空中出现的位置。不同颜色的光由于折射率不同，最终的出射角度也略有差异，这就形成了我们看到的彩色光带。
彩虹的形成是单个水滴光学现象的宏观体现。当雨后阳光照射空中的无数水滴时，每个水滴都像一个微小的棱镜，将白光分解成七种颜色。由于水滴在空中的高度不同，它们反射到观察者眼中的光的颜色也不同。位置较高的水滴主要反射红光，位置较低的水滴主要反射紫光，中间的水滴反射其他颜色的光。观察者、彩虹的中心和太阳三点总是成一直线，所以彩虹总是出现在太阳的对面。这就是为什么我们看到的彩虹呈现出美丽的弧形，并且颜色顺序总是红橙黄绿蓝靛紫。