Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro, parte de la luz incidente se refleja en la frontera de los dos medios, y el resto, pasa al otro medio, sufriendo una desviación. Ésa es la explicación del porqué a las personas metidas en una alberca, con el agua hasta la cintura, se les ven las piernas más cortas; o porqué los peces en un estanque se ven a una profundidad menor de aquella a la que realmente están.
La velocidad de una onda cambia al pasar de un medio a otro y la luz no es la excepción su velocidad también cambia al pasar de un medio a otro. Si un rayo de luz incide formando un ángulo diferente de 90° con la frontera entre los dos medios, se desviará al entrar al segundo medio, precisamente por el cambio que sufre en su velocidad, y a esta desviación se le conoce con el nombre de refracción.
Así, cuando un rayo de luz pasa del aire al agua, el rayo refractado se acerca a la normal (línea imaginaria perpendicular a la frontera entre los dos medios y que pasa por el punto en que el rayo incide), lo que ocurrirá siempre que un rayo de luz pase de un medio de bajo índice de refracción a otro más alto. El índice de refracción de cierto medio "n" se define como el cociente de la velocidad de la luz en el vacío "c" entre la velocidad de la luz en el medio en cuestión "v", así:
El índice de refracción no tiene unidades por ser un cociente entre velocidades. El valor de n siempre es mayor que uno, pues en cualquier medio transparente v < c. El índice de refracción de un medio varía de manera inversa con la velocidad de la luz al propagarse en él. Ahora, si el rayo de luz pasa de agua a aire, entonces el rayo refractado se aleja de la normal, y esto ocurre siempre que un rayo de luz pasa de un medio con índice de refracción mayor a otro con índice de refracción menor.
Cuando una persona se encuentra en una alberca, con el agua a la cintura, los rayos de luz procedentes de sus pies, pasan del agua al aire, alejándose de la normal (figura 10), por lo que un observador fuera de la alberca verá que los pies del bañista están más cerca de la superficie del agua de lo que realmente se encuentran, por eso las piernas se ven más cortas. Con un razonamiento semejante podemos concluir que, efectivamente, vemos a los peces en un estanque como si estuvieran a una profundidad menor que aquella en que realmente están.
En el siglo XVII, Willebrord Snell (1591-1626) encontró experimentalmente la relación entre el ángulo de incidencia "θ1"y el ángulo de refracción "θ2":
donde n1 y n2 son los índices de refracción de los materiales transparentes en donde se desplazan los rayos incidente y refractado, respectivamente. A esta relación se le conoce con el nombre de Ley de Snell y es la ley fundamental de la refracción de la luz.
Ahora se sabe que n1 y n2 están relacionados con la velocidad con que se desplaza la luz en cada uno de los medios transparentes, lo que en el tiempo de Snell se ignoraba, pues en los años en que él vivió aún no se medía la velocidad de la luz.
Dado que la Ley de Snell establece que n1 sen θ1 = n2 sen θ2, entonces, si n2 > n1, necesariamente debe cumplirse que θ2 < θ1, para que se cumpla la igualdad; esto es, en relación con el fenómeno óptico, si la luz entra en un medio donde n es mayor (y por ello, su velocidad menor), entonces, el rayo se desvía acercándosea la normal. Pero si n2 < n1, entonces θ2 > θ1, para que la igualdad se cumpla, con relación al fenómeno, quiere decir que el rayo de luz se desvía alejándose de la normal.
Otro ejemplo de lo anterior es cuando una vara está sumergida en agua, la cual veríamos como doblada debido a que la luz procedente de la parte de la vara sumergida se refracta al salir al aire.
Cuando un rayo de luz llega de manera perpendicular a la frontera entre los dos materiales transparentes, ¿cuál es el ángulo de incidencia?, ¿cuál el de refracción?
Ya que estos ángulos se miden respecto a la normal, y el rayo incide perpendicularmente, θ1= 0°; por lo tanto, θ2= 0°; y el rayo de luz pasa sin desviarse.
