무지개는 햇빛이 빗방울 속을 통과하며 굴절, 반사, 분산 과정을 거쳐 만들어지는 빛의 현상이다. 햇빛은 사실 여러 파장의 빛이 섞인 백색광인데, 물방울에 들어가면서 파장에 따라 굴절각이 달라진다. 파장이 짧은 보라색과 파장이 긴 빨간색이 굴절되는 정도가 다르기 때문에 빗방울을 통과한 빛이 스펙트럼으로 갈라져 나타나는 것이다.

과정은 이렇다. 햇빛이 빗방울에 들어올 때 굴절하며 속도가 줄어든다. 이후 빗방울 안쪽에서 한 번 반사되고 다시 공기 중으로 나오면서 굴절이 일어나는데, 이 두 번의 굴절과 한 번의 반사로 특정 각도(약 42도 부근)에 모여 관찰자 눈에 들어올 때 무지개가 보인다. 그래서 무지개는 항상 태양을 등지고 빗방울을 바라보는 위치에서만 볼 수 있다.

또한 무지개는 단일한 빗방울이 아니라 무수히 많은 빗방울에서 반사된 빛이 동시에 눈에 들어오기 때문에 둥근 호 형태로 나타난다. 지표면이 가려서 반원 형태로 보이지만, 비행기나 높은 산에서 관찰하면 완전한 원형 무지개가 나타나기도 한다.

무지개에는 주무지개와 부무지개가 있다. 주무지개는 한 번 반사된 빛이 만들어낸 것이고, 부무지개는 빗방울 안에서 두 번 반사된 빛이 만들어내는데, 이때는 빛의 세기가 약해지고 색의 배열도 반대로 나타난다.

이 현상은 단순히 자연의 아름다움이 아니라, 빛의 파동성, 굴절과 반사의 법칙을 잘 보여주는 대표적인 사례다. 뉴턴은 프리즘 실험을 통해 햇빛이 여러 색의 빛으로 이루어져 있음을 증명했는데, 무지개 현상은 이를 자연에서 확인할 수 있는 대표적인 증거라 할 수 있다. 즉, 무지개는 빛의 성질과 물리학의 기본 법칙을 시각적으로 확인시켜주는 자연의 교과서인 셈이다.