Réfraction

Comme décrit précédemment, la vitesse de la lumière est plus faible dans tout milieu autre que le vide. Ce ralentissement s'applique à tous les milieux, tels que l'air, l'eau ou le verre, et est responsable de phénomènes comme la réfraction. De l'autre côté du milieu, sa vitesse redevient celle de la lumière dans le vide, qu'onde électromagnétique . La lumière étant une onde électromagnétique oscillante, sa propagation dans un milieu induit l' oscillation des électrons chargés électriquement de ce matériau. (Les protons du matériau oscillent également, mais leur masse étant environ 2 000 fois supérieure, leur mouvement, et donc leur effet, est bien moindre). Une charge électrique en mouvement émet ses propres ondes électromagnétiques. Ces ondes, émises par les électrons oscillants, interagissent avec les ondes électromagnétiques constituant la lumière initiale, à la manière des vagues à la surface d'un étang : c'est le phénomène d' interférence constructive . Lorsque deux ondes interfèrent de cette façon, l'onde résultante peut présenter des paquets d'ondes qui atteignent un observateur plus lentement. La lumière est ainsi ralentie. Lorsque la lumière quitte le matériau, cette interaction avec les électrons cesse, et la fréquence des paquets d'ondes (et donc la vitesse de propagation) retrouve sa valeur normale.

Considérons une onde se propageant d'un milieu à un autre où sa vitesse est plus faible, comme illustré sur la figure. Si elle atteint l'interface entre les milieux avec un certain angle, un côté de l'onde atteindra le second milieu en premier et ralentira donc plus tôt. Ce ralentissement d'un côté de l'onde entraînera une déviation de l'onde entière vers ce côté. C'est pourquoi une onde se courbe en s'éloignant de la surface, ou en se rapprochant de la normale , lorsqu'elle pénètre dans un milieu plus lent. À l'inverse, lorsqu'une onde atteint un milieu où sa vitesse est plus élevée, un côté de l'onde accélérera et l'onde déviera de ce côté.

Une autre façon de comprendre ce phénomène consiste à considérer la variation de longueur d'onde à l'interface. Lorsqu'une onde passe d'un matériau à un autre où sa vitesse fréquence les fronts d'onde , ou longueur d'onde d'incidence loi de la réfraction,

Le phénomène de réfraction peut être déduit de manière plus fondamentale de l' équation d'onde à deux ou trois dimensions . La condition aux limites à l'interface impose alors que la composante tangentielle du vecteur d'onde soit identique de part et d'autre de l'interface . Puisque la norme du vecteur d'onde dépend de la vitesse de propagation, cela implique un changement de direction du vecteur d'onde.

La vitesse d'onde pertinente dans la discussion ci-dessus est la vitesse de phase. Celle-ci est généralement proche de la vitesse de groupe , que l'on peut considérer comme la vitesse réelle de l'onde. Toutefois, lorsqu'elles diffèrent, il est important d'utiliser la vitesse de phase dans tous les calculs relatifs à la réfraction.

Une onde se propageant perpendiculairement à une limite, c'est-à-dire dont les fronts d'onde sont parallèles à la limite, ne changera pas de direction même si sa vitesse change.

La réfraction est également responsable des arcs-en-ciel et de la décomposition de la lumière blanche en un spectre irisé lorsqu'elle traverse un prisme en verre . Le verre et l'eau ont des indices de réfraction supérieurs à celui de l'air. Lorsqu'un faisceau de lumière blanche passe de l'air à un matériau dont l'indice de réfraction varie avec la fréquence (et la longueur d'onde), un phénomène appelé dispersion se produit : les différentes composantes colorées de la lumière blanche sont réfractées selon des angles différents, c'est-à-dire qu'elles sont déviées différemment à l'interface, ce qui entraîne leur séparation. Les différentes couleurs correspondent à différentes fréquences et différentes longueurs d'onde.