Bạn có bao giờ ngỡ ngàng trước vẻ đẹp của cầu vồng lấp lánh trong giọt nước dưới ánh nắng? Bí mật đằng sau hiện tượng này là sự kết hợp tuyệt diệu của vật lý, quang học và phân tán ánh sáng. Hãy cùng khám phá từng bước chi tiết để hiểu vì sao có cầu vồng trong giọt nước, đảm bảo bạn sẽ thấy khoa học thú vị hơn bao giờ hết!

Ánh sáng đi vào giọt nước và bị khúc xạ như thế nào?

Ánh sáng mặt trời, dù trông như một màu trắng đơn giản, thực chất là tập hợp của nhiều màu sắc với bước sóng khác nhau. Khi tia sáng chạm vào bề mặt giọt nước, nó chuyển từ môi trường không khí (loãng hơn) sang nước (đặc hơn), dẫn đến hiện tượng khúc xạ. Khúc xạ làm ánh sáng bị bẻ cong, tạo nền tảng cho cầu vồng.

• Nguyên lý khúc xạ: Theo định luật Snell, ánh sáng thay đổi hướng khi đi qua ranh giới hai môi trường do tốc độ ánh sáng giảm trong nước (khoảng 225.000 km/s so với 300.000 km/s trong không khí).
• Phân tách màu sắc ban đầu: Mỗi màu có bước sóng riêng (đỏ dài nhất, tím ngắn nhất), nên chúng bị bẻ cong ở các góc khác nhau. Ví dụ, ánh sáng đỏ lệch ít hơn ánh sáng tím.
• Điều kiện cần: Giọt nước phải tròn để ánh sáng đi vào đúng góc, thường thấy trong sương mù hoặc mưa nhẹ.

>>> Đọc thêm tại đây: Giải mã bong bóng trong nước sôi: Đó là không khí hay là hơi nước?

Hiện tượng phản xạ toàn phần bên trong giọt nước

Sau khi khúc xạ, ánh sáng tiếp tục di chuyển bên trong giọt nước và chạm vào bề mặt đối diện của giọt. Tại đây, nếu góc tới lớn hơn góc tới hạn (khoảng 48 độ với nước và không khí), ánh sáng không thoát ra mà bị phản xạ toàn phần, bật lại bên trong giọt nước như trong một tấm gương.

• Cơ chế phản xạ toàn phần: Đây là hiện tượng quang học xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường đặc (nước) sang môi trường loãng (không khí) ở góc lớn, khiến ánh sáng không thoát ra mà quay lại.
• Vai trò trong cầu vồng: Phản xạ này định hướng ánh sáng để chuẩn bị cho bước cuối, đảm bảo các màu sắc được sắp xếp đúng vị trí.
• Thí nghiệm minh họa: Bạn có thể quan sát phản xạ toàn phần bằng cách nhìn vào mặt trong của ly nước dưới ánh sáng mạnh.

>>> Tìm hiểu ngay: Vì sao bong bóng trong suốt lại có màu sắc cầu vồng lấp lánh đẹp mắt?

Quá trình ánh sáng thoát ra ngoài và tạo thành dải màu quang phổ

Khi ánh sáng thoát ra khỏi giọt nước sau phản xạ, nó lại bị khúc xạ lần thứ hai. Lúc này, các màu sắc đã được tách biệt hoàn toàn nhờ phân tán ánh sáng, tạo thành dải màu quang phổ từ đỏ đến tím mà chúng ta gọi là cầu vồng.

• Góc cầu vồng: Cầu vồng chính xuất hiện ở góc khoảng 40-42 độ so với hướng ánh sáng ban đầu. Góc này phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của nước (khoảng 1.33).
• Thứ tự màu sắc: Màu đỏ có bước sóng dài nhất nên nằm ở vòng ngoài, trong khi màu tím ở vòng trong. Điều này lý giải tại sao cầu vồng luôn có thứ tự màu cố định: đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím.
• Thí nghiệm giọt nước tại nhà: Phun sương nước bằng bình xịt dưới ánh nắng, bạn sẽ thấy cầu vồng nhỏ xuất hiện. Hãy thử đứng ngược hướng mặt trời để quan sát rõ hơn!
• Hiện tượng bổ sung: Đôi khi, cầu vồng phụ (mờ hơn) xuất hiện bên ngoài cầu vồng chính do ánh sáng phản xạ hai lần trong giọt nước, làm đảo ngược thứ tự màu.

Cầu vồng trong giọt nước là minh chứng sống động cho sự kỳ diệu của vật lý và quang học. Từ khúc xạ, phản xạ toàn phần đến phân tán ánh sáng, mỗi bước đều góp phần tạo nên dải màu rực rỡ. Hãy thử tự tạo cầu vồng với bình xịt nước và ánh nắng để cảm nhận phép màu này! Bạn đã sẵn sàng khám phá thêm bí ẩn khoa học nào nữa chưa?

>>> Khám phá kỹ hơn: Giải mã bí ẩn vì sao khói thường có màu xám và đôi khi lại màu đen