Refracción
La refracción es el doblamiento de una onda al pasar de un medio a otro en ángulo, causado por un cambio en la rapidez de la onda.
Definition
La refracción es el doblamiento de la luz al moverse de un material a otro, como del aire al agua, porque la luz cambia de rapidez y ese cambio de rapidez cambia su dirección; un popote en un vaso de agua se ve doblado en la superficie porque la luz de su parte sumergida se dobla antes de llegar al ojo, y un pez en un estanque se ve más cerca de la superficie de lo que realmente está por la misma razón. La luz se dobla hacia la normal cuando se frena al entrar a un medio más denso y se aleja de la normal cuando se acelera al salir de uno, con su frecuencia permaneciendo igual mientras la longitud de onda y la rapidez cambian, y los lentes, los prismas, los arcoíris y los espejismos dependen todos de ella. La refracción obedece la ley de Snell, $n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2$, donde el índice de refracción $n = c/v$ mide cuánto frena un medio a la luz, derivándose del principio de Fermat y la continuidad de los frentes de onda a través de una frontera; como $n$ depende de la longitud de onda, con el azul doblándose más que el rojo en vidrio, un prisma esparce la luz blanca en un espectro, y para un lente delgado, la refracción en ambas superficies produce la ecuación del fabricante de lentes y la relación de lente delgado $1/f = 1/d_o + 1/d_i$.
Example
La luz viaja a $3.00 \times 10^8\ \text{m/s}$ en aire pero solo a $2.25 \times 10^8\ \text{m/s}$ en agua, así que un haz que golpea una alberca a $45^\circ$ de la normal se dobla hasta unos $32^\circ$ dentro del agua, mientras que un haz que golpea directamente hacia abajo se frena pero no se dobla en absoluto. La luz que entra al agua ($n = 1.33$) desde el aire a $45^\circ$ se refracta a $\sin\theta_2 = \sin 45^\circ / 1.33 \approx 0.532$, así que $\theta_2 \approx 32.1^\circ$, y en vidrio crown, donde $n = 1.514$ para el rojo ($656\ \text{nm}$) y $1.524$ para el azul ($486\ \text{nm}$), un haz de $45^\circ$ se refracta a $27.83^\circ$ y $27.64^\circ$ respectivamente, una separación de $0.19^\circ$ que la segunda superficie de un prisma luego amplía.
Key Insight
La refracción dobla la luz porque un borde del haz se frena antes que el otro, de la misma manera que un carrito de compras se desvía cuando una rueda rueda sobre pasto: sin ángulo, sin desvío. Un arcoíris empaca refracción, reflexión y dispersión en una sola gota de lluvia, la luz doblándose al entrar, reflejándose en la parte trasera, y doblándose de nuevo al salir, con el rojo saliendo a unos $42^\circ$ y el violeta a $40^\circ$ del punto antisolar, así que cada observador ve un arcoíris privado hecho por un conjunto distinto de gotas.