Imaginez une cuillère placée dans un demi-verre d'eau. La cuillère semble se plier à la frontière air-eau. C'est parce que les rayons lumineux atteignant vos yeux sous l'eau changent de direction lorsqu'ils passent dans l'air. Ce phénomène est connu sous le nom de réfraction. Il existe plusieurs facteurs qui déterminent à quel angle un rayon lumineux se courbera lors du passage d'un milieu à un autre.
Si un rayon lumineux passe d'un support à un autre -- de l'air au verre par exemple -- perpendiculairement à la surface entre les supports, il ne change pas de direction, il passe de part en part. Si, cependant, il frappe la surface à un angle par rapport à la perpendiculaire, il change de direction à mesure qu'il se déplace dans le deuxième milieu. L'angle que fait le rayon lumineux avec la perpendiculaire dans le premier milieu est appelé angle d'incidence. L'angle que fait le rayon lumineux avec la perpendiculaire dans le second milieu est appelé angle de réfraction. La relation entre l'angle d'incidence (i) et l'angle de réfraction (r) est donnée par la loi de Snell: sin (r)/ sin (i) = ni/nr, où ni est l'indice de réfraction du premier milieu et nr est l'indice de réfraction du deuxième milieu. Pour une paire fixe de supports, ni/nr est fixe. Il est donc clair que lorsque l'angle d'incidence i change, l'angle de réfraction r change également.
D'après la loi de Snell, vous pouvez voir que l'angle de réfraction dépend du rapport ni/nr des indices de réfraction des deux milieux. Si nr est supérieur à ni -- par exemple lorsque la lumière passe de l'air (ni = 1,0) au verre (ni = 1,5) -- alors l'angle de réfraction est inférieur à l'angle d'incidence, c'est-à-dire que le rayon lumineux se penche vers la perpendiculaire à la surface entre les deux milieux lorsqu'il traverse le second moyen. Si nr est inférieur à ni, le rayon lumineux entrant dans un autre milieu s'éloigne de la perpendiculaire à la surface entre les deux milieux .
L'angle de réfraction dépend également de la longueur d'onde de la lumière. La lumière visible de différentes couleurs a des longueurs d'onde différentes et des indices de réfraction légèrement différents. La différence est si petite que vous ne la voyez pas lorsque la lumière blanche traverse une plaque de verre plate par exemple. Mais lorsque la lumière blanche traverse un prisme et est réfractée deux fois sur les deux surfaces, chaque couleur se plie à un angle différent et vous pouvez clairement voir les couleurs séparées.
Dans certains cas particuliers, l'indice de réfraction dans un milieu peut dépendre de la direction dans laquelle la lumière traverse le milieu. Certains cristaux minéraux ont deux indices de réfraction distincts dans deux directions et sont appelés matériaux biréfringents. Par exemple, la tourmaline est un cristal avec deux indices de réfraction: 1,669 et 1,638. Pour ces matériaux, l'angle de réfraction dépend de l'orientation de la frontière entre les milieux avec les axes particuliers du cristal.