Stellen Sie sich einen Löffel vor, der in ein halbes Glas Wasser gelegt wird. Der Löffel scheint sich an der Luft-Wasser-Grenze zu biegen. Dies liegt daran, dass die Lichtstrahlen, die unter Wasser in Ihre Augen gelangen, ihre Richtung ändern, wenn sie in die Luft gelangen. Dieses Phänomen wird als Refraktion bezeichnet. Es gibt mehrere Faktoren, die bestimmen, in welchem Winkel sich ein Lichtstrahl beim Übergang von einem Medium in ein anderes biegt.
Wenn ein Lichtstrahl senkrecht zur Oberfläche zwischen den Medien von einem Medium zum anderen überquert – etwa von Luft zu Glas –, ändert er seine Richtung nicht, sondern geht durch. Trifft es jedoch schräg zur Senkrechten auf die Oberfläche, ändert es beim Eindringen in das zweite Medium seine Richtung. Der Winkel, den der Lichtstrahl mit der Senkrechten im ersten Medium bildet, wird als Einfallswinkel bezeichnet. Der Winkel, den der Lichtstrahl mit der Senkrechten im zweiten Medium bildet, wird als Brechungswinkel bezeichnet. Die Beziehung zwischen Einfallswinkel (i) und Brechungswinkel (r) ist durch das Snell-Gesetz gegeben: sin (r)/sin (i) = ni/nr, wobei ni der Brechungsindex des ersten Mediums und nr der Brechungsindex des zweiten Mediums ist. Für ein festes Medienpaar ist ni/nr fest. Es ist also klar, dass sich bei einer Änderung des Einfallswinkels i auch der Brechungswinkel r ändert.
Aus dem Snell-Gesetz können Sie ersehen, dass der Brechungswinkel vom Verhältnis ni/nr der Brechungsindizes der beiden Medien abhängt. Wenn nr größer als ni ist – zum Beispiel wenn Licht von Luft (ni = 1,0) auf Glas (ni = 1,5) übergeht – dann ist der Brechungswinkel kleiner als der Einfallswinkel, d. h. der Lichtstrahl biegt sich beim Übergang in das zweite Medium zur Senkrechten auf die Oberfläche zwischen den beiden Medien Mittel. Ist nr kleiner als ni, biegt sich der in ein anderes Medium eintretende Lichtstrahl von der Senkrechten zur Oberfläche zwischen den beiden Medien weg.
Der Brechungswinkel hängt auch von der Wellenlänge des Lichts ab. Sichtbares Licht unterschiedlicher Farben hat unterschiedliche Wellenlängen und leicht unterschiedliche Brechungsindizes. Der Unterschied ist so gering, dass man ihn nicht sieht, wenn beispielsweise weißes Licht durch eine flache Glasplatte fällt. Aber wenn weißes Licht durch ein Prisma fällt und an den beiden Oberflächen zweimal gebrochen wird, biegt sich jede Farbe in einem anderen Winkel und Sie können die einzelnen Farben deutlich sehen.
In einigen Sonderfällen kann der Brechungsindex in einem Medium von der Richtung abhängen, in der Licht das Medium durchdringt. Bestimmte Mineralkristalle haben zwei unterschiedliche Brechungsindizes entlang zweier Richtungen und werden als doppelbrechende Materialien bezeichnet. Turmalin ist beispielsweise ein Kristall mit zwei Brechungsindizes: 1,669 und 1,638. Bei diesen Materialien hängt der Brechungswinkel von der Orientierung der Grenze zwischen den Medien mit den speziellen Achsen des Kristalls ab.