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物理学において、屈折とは、波が一方の媒質から別の媒質へ通過する際に方向が変わる現象です。方向転換は、波の速度の変化、または媒質の変化によって引き起こされます。[ 1 ]光の屈折は最もよく観察される現象ですが、音波や水波などの他の波も屈折を経験します。波がどれだけ屈折するかは、波の速度の変化と、速度の変化方向に対する波の初期伝播方向によって決まります。
光学プリズムやレンズは、人間の目と同様に、屈折を利用して光を方向転換します。物質の屈折率は光の波長によって変化するため[ 2 ]、屈折角もそれに応じて変化します。これは分散と呼ばれ、特定のプリズム[ 3 ]や虹の中の雨粒[ 4 ]が白色光を構成スペクトル色に分割することを可能にします。
光の場合、屈折はスネルの法則に従います。この法則は、特定の媒質のペアに対して、入射角の正弦の比がおよび屈折角位相速度の比に等しい2 つの媒体において、または同等に、屈折率2つのメディアのうち：[ 5 ]
屈折は、光の波動性に起因する2つの関連する要素から成り立っています。それは、光学的媒質中での速度の低下と、波面が異なる媒質間をある角度で通過する際の角度の変化です。
前述のように、光の速度は真空以外の媒体では遅くなります。この減速は空気、水、ガラスなどのあらゆる媒体に当てはまり、屈折などの現象の原因となります。媒体の反対側では、光の速度は再び真空中の光速cになります。
正しい説明は、光が電磁波であるという性質に基づいています。[ 6 ]光は振動する電気/磁気波であるため、媒質中を伝わる光は、その物質の電荷を帯びた電子も振動させます。（物質の陽子も振動しますが、陽子は電子の約2000倍の質量を持つため、その動き、ひいてはその影響ははるかに小さくなります。）移動する電荷は、それ自体の電磁波を放出します。振動する電子から放出された電磁波は、池の水面の波のように、元の光を構成する電磁波と相互作用します。このプロセスは建設的干渉として知られています。このように2つの波が干渉すると、結果として生じる「合成」波は、観測者を通過する速度が遅くなる波束を持つ可能性があります。光は実質的に減速されます。光が物質から出ると、電子とのこの相互作用はもはや起こらないため、波束の速度（したがってその速度）は正常に戻ります。
図に示すように、波が一方の物質から速度の遅いもう一方の物質へと伝わる場合を考えてみましょう。波が物質間の境界面に斜めに到達すると、波の一方の側が先に2番目の物質に到達し、そのため先に速度が低下します。波の一方の側が遅くなると、波全体がその側に傾きます。これが、波が速度の遅い物質に入るときに、表面から離れる方向、つまり法線に向かって曲がる理由です。逆に、波が速度の速い物質に到達すると、波の一方の側が速くなり、波はその側から離れる方向に傾きます。
同じことを理解する別の方法は、界面での波長の変化を考慮することです。波が異なる速度vを持つある物質から別の物質へ波が進むとき、波の周波数fは同じままですが、波面間の距離、つまり波長λ = v / fは変化します。右図のように速度が減少すると、波長も減少します。波面と界面の間の角度と波面間の距離の変化により、波面をそのまま維持するためには、界面上で角度が変化しなければなりません。これらの考察から、入射角θ 1、透過角θ 2、および 2 つの物質における波の速度v 1とv 2の関係を導き出すことができます。これは屈折の法則、またはスネルの法則であり、 [ 7 ]のように記述できます。
屈折現象は、より根本的な方法では、2 次元または 3 次元の波動方程式から導き出すことができます。界面における境界条件では、波ベクトルの接線成分が界面の両側で同一である必要があります。[ 8 ]波ベクトルの大きさは波の速度に依存するため、波ベクトルの方向が変わる必要があります。
上記の議論において関連する波速は、波の位相速度です。これは通常、波の真の速度とみなせる群速度に近い値ですが、両者が異なる場合は、屈折に関するすべての計算において位相速度を用いることが重要です。
境界に垂直に伝播する波、つまり波面が境界に平行な波は、波の速度が変化しても方向を変えない。
屈折は虹の発生原因であり、白色光がガラスプリズムを通過する際に虹色のスペクトルに分裂する原因でもあります。ガラスと水は空気よりも屈折率が高いです。白色光の光線が空気から、周波数（および波長）によって屈折率が変化する物質に入ると、分散と呼ばれる現象が発生します。これは、白色光の異なる色の成分が異なる角度で屈折する、つまり界面で異なる角度で曲がるため、分離される現象です。異なる色は、異なる周波数と異なる波長に対応します。
光の屈折は、水面を通過する際に起こります。これは、水の屈折率が1.33、空気の屈折率が約1であるためです。図にある鉛筆のようなまっすぐな物体を斜めに傾けて水中に部分的に浸すと、物体は水面で曲がって見えます。これは、光線が水から空気へと進む際に屈折するためです。光線が目に到達すると、目はそれを直線（視線）としてたどります。視線（点線で示されています）は、実際の光線が発した位置よりも高い位置で交差します。そのため、鉛筆は実際よりも高く見え、水は実際よりも浅く見えるのです。
上から見たときの水の深さは、見かけの深さとして知られています。これは、水面から銛で魚を突く際に重要な考慮事項です。なぜなら、魚の位置が実際とは異なるように見えるため、漁師は魚を捕らえるために低い位置を狙わなければならないからです。逆に、水面上にある物体は、水面下から見たときに見かけの高さが高くなります。テッポウウオは、これとは逆の補正を行う必要があります。[ 9 ]
入射角が小さい場合（法線からの角度で、sin θとtan θがほぼ等しい場合）、見かけの深さと実際の深さの比は、空気と水の屈折率の比になります。しかし、入射角が 90° に近づくと、反射が増加するため、見かけの深さはゼロに近づき、入射角が大きい場合は観測が制限されます。逆に、入射角（下から）が増加すると、見かけの高さは無限大に近づきますが、全反射角に近づくとさらに早く無限大に近づきます。ただし、この限界に近づくと、像も視界から消えていきます。
空気の屈折率は空気密度に依存するため、気温と気圧によって変化します。高度が高いほど気圧が低くなるため、屈折率も低くなり、光線が大気中を長距離移動する際に地表に向かって屈折します。このため、地平線に近い星の見かけ上の位置がわずかにずれ、日の出の際には太陽が地平線上に完全に昇る前に見えるようになります。
空気の温度変化によっても光の屈折が起こります。これは、火の上、エンジンの排気、寒い日に窓を開けたときなど、熱い空気と冷たい空気が混ざり合うときに熱霞として見られます。このため、混合された空気を通して見た物体は、熱い空気と冷たい空気が動くにつれて、ゆらゆらと揺れたり、ランダムに動いたりします。この効果は、高倍率の望遠レンズを使用した場合、晴れた日の通常の気温変化でも見られ、多くの場合、これらのケースで画像品質を制限します。 [ 10 ]同様に、大気の乱流は天体望遠鏡の画像に急速に変化する歪みをもたらし、適応光学系やこれらの大気歪みを克服するための他の技術を使用していない地上望遠鏡の解像度を制限します。
地表付近の気温変化は、蜃気楼やファタ・モルガーナといった他の光学現象を引き起こすことがあります。最も一般的な例としては、晴れた日に高温になった道路によって温められた空気が、浅い角度で観測者に向かってくる光を屈折させることです。これにより道路が反射しているように見え、道路が水で覆われているような錯覚が生じます。
医学、特に検眼、眼科、視能訓練の分野では、屈折検査（屈折測定とも呼ばれる）は、適切な眼科医療専門家がフォロプターを使用して眼の屈折異常と処方すべき最適な矯正レンズを決定する臨床検査です。段階的な光学的パワーまたは焦点距離の一連のテストレンズが提示され、最も鮮明でクリアな視界を提供するレンズが決定されます。[ 11 ]屈折矯正手術は、一般的な視覚障害を治療するための医療処置です。
水面波は浅い水域では遅く伝わります。これはリップルタンクで屈折を実証するために利用でき、また海岸線上の波が海岸線にほぼ垂直な角度で打ち寄せる理由も説明できます。波が深い水域から海岸近くの浅い水域に伝わるにつれて、元の進行方向から屈折して海岸線に対してより垂直な角度になります。[ 12 ]
水中音響学では、屈折とは、音速勾配のある領域から異なる音速の領域へ音速が変化する領域を通過する際に生じる音線の曲がりや湾曲のことです。音線の曲がり具合は、音速の差、つまり水温、塩分濃度、水圧の変化に依存します。[ 13 ] 同様の音響効果は地球の大気でも見られます。大気中の音の屈折現象は数世紀前から知られています。 [ 14 ] 1970年代初頭から、下層大気における音線の屈折による気象学的影響に対処するため、都市高速道路や防音壁の設計を通じて、この効果の広範な分析が流行しました。 [ 15 ]
これは、2つの媒体の境界で入射波と透過波が満たす必要のある境界条件から生じる。本質的に、波ベクトルの接線成分は同一でなければならない。そうでなければ、境界での波の位相差は位置に依存し、波面は連続にならないからである。波ベクトルの大きさは媒体の屈折率に依存するため、この条件は一般に異なる伝搬方向でのみ満たすことができる。
