Immagina un cucchiaio messo in mezzo bicchiere d'acqua. Il cucchiaio sembra piegarsi al confine aria-acqua. Questo perché i raggi di luce che raggiungono i tuoi occhi da sotto l'acqua cambiano direzione quando passano nell'aria. Questo fenomeno è noto come rifrazione. Ci sono diversi fattori che determinano a quale angolo si piegherà un raggio di luce quando passa da un mezzo all'altro.
Se un raggio di luce attraversa da un mezzo all'altro - dall'aria al vetro per esempio - perpendicolarmente alla superficie tra i mezzi, non cambia direzione, passa proprio attraverso. Se, tuttavia, colpisce la superficie con un angolo rispetto alla perpendicolare, cambia direzione mentre si sposta nel secondo mezzo. L'angolo formato dal raggio di luce con la perpendicolare nel primo mezzo è chiamato angolo di incidenza. L'angolo formato dal raggio di luce con la perpendicolare nel secondo mezzo è chiamato angolo di rifrazione. La relazione tra l'angolo di incidenza (i) e l'angolo di rifrazione (r) è data dalla legge di Snell: sin (r)/ sin (i) = ni/nr, dove ni è l'indice di rifrazione del primo mezzo e nr è l'indice di rifrazione del secondo mezzo. Per una coppia fissa di supporti, ni/nr è fisso. Quindi è chiaro che quando cambia l'angolo di incidenza i, cambia anche l'angolo di rifrazione r.
Dalla legge di Snell si vede che l'angolo di rifrazione dipende dal rapporto ni/nr degli indici di rifrazione dei due mezzi. Se nr è maggiore di ni - per esempio quando la luce passa dall'aria (ni = 1.0) al vetro (ni = 1.5) - allora l'angolo di rifrazione è minore di l'angolo di incidenza, cioè il raggio luminoso si piega verso la perpendicolare alla superficie tra i due mezzi mentre attraversa nel secondo medio. Se nr è minore di ni, il raggio luminoso che entra in un altro mezzo si allontana dalla perpendicolare alla superficie tra i due mezzi.
L'angolo di rifrazione dipende anche dalla lunghezza d'onda della luce. La luce visibile di diversi colori ha lunghezze d'onda diverse e indici di rifrazione leggermente diversi. La differenza è così piccola che non la vedi quando la luce bianca passa attraverso una lastra piana di vetro, ad esempio. Ma quando la luce bianca passa attraverso un prisma e viene rifratta due volte sulle due superfici, ogni colore si piega con un'angolazione diversa e puoi vedere chiaramente i colori separati.
In alcuni casi particolari, l'indice di rifrazione in un mezzo può dipendere dalla direzione in cui la luce passa attraverso il mezzo. Alcuni cristalli minerali hanno due distinti indici di rifrazione lungo due direzioni e sono noti come materiali birifrangenti. Ad esempio, la tormalina è un cristallo con due indici di rifrazione: 1.669 e 1.638. Per questi materiali, l'angolo di rifrazione dipende dall'orientamento del confine tra i media con gli assi speciali del cristallo.