虹はなぜ円形？

最初に,私は物理を高校で習っていませんのでやさしくお願いします。

虹のできる仕組みというのはおぼろげながら分かるような気がするのですが
なぜ円形に見えるんですか？
自分と虹の距離が等距離だからですか？
だったら半球を輪切りにしたというのでわからなくないのですが
さっき見たんですが水によって光が屈折するという水は水蒸気のことですよね？
でも水蒸気は結構大きな塊ですよね？
だったらもっと太く見えてもいいような気がするのですが。

支離滅裂なことを言っていますがどこを勘違いしているのか
またすべて間違っているのであれば簡単な言葉を使って回答をよろしくお願いします。

No.4 ベストアンサー 回答者： redbean 回答日時： 2002/05/20 18:10

最初に、虹がなぜできるかについて簡単に書きます。

太陽光線が空気中に浮かぶ小さな水滴の中で、１回反射
して目に届く経路を考えます。無数の経路が考えられます
が、ただ１つだけ光が集中する状態になるところがあり
ます。

これは「太陽－水滴－目」を結ぶ角度が４２度位になる
ところです（赤色光の場合）。そのため、この角度に
揃った場合だけ背景と異なって光が見えることになる
わけです。このとき光の色（波長）によって若干角度が
違うので、人は七色をみることになります。これが虹です。

４２度という角度は、水滴が球形であることと、水の
屈折率から決まります。

さて、太陽光線が平行であることを考えると、「太陽－水滴
－目」が４２度になる水滴の集団はどういう形を描くで
しょうか。答えは、目を頂点とする円錐形ですね。頂点に
目があるのですから、人間の目には「丸く」見えます。

実は、水滴の中で２回反射するパターンでも同様の現象が
起こります。最初に説明した虹の外側に、淡くて色の順序
が逆のものが見えることがあります。「副虹」といいます。

No.3 回答者： SCNK 回答日時： 2002/05/19 20:14

屈折を起こすのは微小な液体の水であって、水蒸気ではありません。

水蒸気の寸法は光の波長より小さいため光になんら影響を及ぼすことができません。
液体には液体中の分子同士をひきつけ引力がありますが、液体の表面においてはひきつける相手がないため表面をなるべく小さくする力が働きます。いわゆる表面張力です。これによって水の微小な粒は球体となります。
虹が円形なのは、この球体であることが関係しています。
虹は太陽を背にして、その円の中心が太陽の反対がわに位置します。半円しか見えないのは地面が邪魔をしているからです。
太陽と虹の中心を結んだ線を軸にして、軸対象になる位置の水滴は、それぞれ放射方向の角度は別として、それ以外の光の屈折は同じになります。つまり軸に対して直角方向に水滴が位置すれば太陽と水滴と軸上の直角によって直角三角形ができます。その三角形を軸を中心に回転させれば太陽を頂点とした円錐となります。観測者は軸上の太陽と直角の位置との間に位置します。太陽から出た光は軸から一定の角度で進み、水滴の位置に至り内部で二度反射し観測者の方向へ向きを変えるのです。観測者からもその位置を頂点とした円錐ができるのですがつまり軸からの角度はみな同じとなるわけです。言葉で説明するのは難しいのですが一度作図してみてください。
なお水滴は空間上に無数にあるわけですから、円錐の底辺の角にすべてあると考えてよい旨を付け加えておきます。

No.2 回答者： ceita 回答日時： 2002/05/19 20:05

図を書かずに説明するのは難しいのですが、

虹が円形に見えるのは、
太陽（光源）から出る光が円形に広がっていくからです。

水蒸気が大きな塊っていうのは何に対する大きさなんでしょうか？
参考URLの実験を見ると、水蒸気よりもはるかに大きいビーズで実験していますよ。

虹の大きさですが、庭に水遣りをするときに出来る虹は
小さいですよね？

参考URL：http://www.laser.phys.tohoku.ac.jp/~yoshi/hikari …

No.1 回答者： noname#3856 回答日時： 2002/05/19 19:59

こちらの記事がわかりやすいかもしれませんね。

参考URL：http://weather.mainichi.co.jp/q-a/2001/0820-2.html