ในทางฟิสิกส์การหักเหคือการเปลี่ยนทิศทางของคลื่นเมื่อผ่านจากตัวกลาง หนึ่ง ไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง การเปลี่ยนทิศทางอาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นหรือการเปลี่ยนแปลงของตัวกลาง^{[ 1 ]}การหักเหของแสงเป็นปรากฏการณ์ที่พบเห็นได้บ่อยที่สุด แต่คลื่นอื่นๆ เช่นคลื่นเสียงและคลื่นน้ำก็ประสบกับการหักเหเช่นกัน ปริมาณการหักเหของคลื่นจะถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นและทิศทางเริ่มต้นของการแพร่กระจายของคลื่นเมื่อเทียบกับทิศทางของการเปลี่ยนแปลงความเร็ว

ปริซึมและเลนส์ทางแสงใช้การหักเหเพื่อเปลี่ยนทิศทางของแสง เช่นเดียวกับดวงตาของมนุษย์ดัชนีหักเหของวัสดุจะแปรผันตามความยาวคลื่นของแสง^{[ 2 ]}ดังนั้นมุมของการหักเหจึงแปรผันตามไปด้วย สิ่งนี้เรียกว่าการกระจายแสงและทำให้ปริซึมบางชนิด^{[ 3 ]}และหยาดฝนในรุ้ง^{[ 4 ]}สามารถแยกแสงสีขาว ออกเป็น สีสเปกตรัมต่างๆได้

สำหรับแสง การหักเหเป็นไปตามกฎของสเนลล์ซึ่งระบุว่าสำหรับสื่อคู่หนึ่ง อัตราส่วนของไซน์ของมุมตกกระทบ และมุมหักเหจะเท่ากับอัตราส่วนของความเร็วเฟสในสื่อทั้งสอง หรือเทียบเท่ากับดัชนีหักเหของสื่อทั้งสอง: ^{[ 5 ]}${\displaystyle {\theta _{1}}}$${\displaystyle {\theta _{2}}}$${\textstyle {\frac {v_{1}}{v_{2}}}}$${\textstyle {\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$

$${\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$$

การหักเหของแสงเกี่ยวข้องกับสองส่วนที่เกี่ยวข้องกัน ซึ่งทั้งสองส่วนเป็นผลมาจากธรรมชาติของคลื่นแสง ได้แก่ ความเร็วที่ลดลงในตัวกลางทางแสง และการเปลี่ยนแปลงมุมเมื่อหน้าคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่แตกต่างกันในมุมหนึ่ง

1. แสงจะช้าลงเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางอื่นที่ไม่ใช่สุญญากาศ (เช่น อากาศ แก้ว หรือน้ำ) นี่ไม่ใช่เพราะการกระเจิงหรือการดูดกลืน แต่เป็นเพราะแสงซึ่งเป็นการสั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเอง ทำให้ อนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้า อื่นๆ เช่นอิเล็กตรอน สั่นด้วย อิเล็กตรอน ที่สั่นจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวเองออกมา ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับแสงเดิม คลื่นที่รวมกันจึงมีความเร็วลดลง เมื่อแสงกลับสู่สุญญากาศและไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ใกล้ๆ ผลกระทบจากการช้าลงนี้จะสิ้นสุดลง และความเร็วของแสงจะกลับคืนสู่ค่าc
2. เมื่อแสงเข้าสู่ตัวกลางที่มีความหนืดต่ำกว่าในมุมหนึ่ง ด้านหนึ่งของหน้าคลื่นจะชะลอตัวลงก่อนอีกด้านหนึ่ง การชะลอตัวที่ไม่สมมาตรนี้ทำให้มุมการเดินทางของแสงเปลี่ยนไป เมื่อแสงเข้าสู่ตัวกลางใหม่ที่มีคุณสมบัติคงที่แล้ว แสงจะเดินทางเป็นเส้นตรงอีกครั้ง

ดังที่กล่าวมาข้างต้นความเร็วของแสงจะช้าลงในตัวกลางอื่นที่ไม่ใช่สุญญากาศ การชะลอตัวนี้เกิดขึ้นกับตัวกลางใดๆ เช่น อากาศ น้ำ หรือแก้ว และเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การหักเหของแสง เมื่อแสงผ่านตัวกลางนั้นไปแล้ว ความเร็วของแสงก็จะกลับมาเท่ากับความเร็วของแสงในสุญญากาศอีกครั้ง ซึ่งก็คือ c

คำอธิบายที่ถูกต้องขึ้นอยู่กับธรรมชาติของแสงในฐานะคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า [ ^{6 ]}เนื่องจากแสงเป็นคลื่นไฟฟ้า/แม่เหล็กที่สั่น แสงที่เดินทางในตัวกลางทำให้อิเล็กตรอน ที่มีประจุไฟฟ้า ของวัสดุสั่นด้วย ( โปรตอน ของวัสดุก็สั่นเช่น ^กันแต่เนื่องจากมีมวลมากกว่าประมาณ 2000 เท่า การเคลื่อนที่และผลกระทบของมันจึงน้อยกว่ามาก) ประจุไฟฟ้า ที่เคลื่อนที่ จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวเองออกมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนที่สั่นจะทำปฏิกิริยากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประกอบขึ้นเป็นแสงดั้งเดิม คล้ายกับคลื่นน้ำบนสระน้ำ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการแทรกสอดแบบเสริมกันเมื่อคลื่นสองคลื่นแทรกสอดกันในลักษณะนี้ คลื่น "รวม" ที่ได้อาจมีกลุ่มคลื่นที่ผ่านผู้สังเกตการณ์ในอัตราที่ช้าลง แสงจึงช้าลงอย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อแสงออกจากวัสดุ ปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนนี้จะไม่เกิดขึ้นอีกต่อไป และด้วยเหตุนี้อัตรากลุ่มคลื่น (และด้วยเหตุนี้ความเร็ว) จึงกลับสู่ปกติ

ลองพิจารณาคลื่นที่เคลื่อนที่จากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่งซึ่งมีความเร็วช้ากว่า ดังแสดงในรูป หากคลื่นเคลื่อนที่มาถึงรอยต่อระหว่างวัสดุในมุมเอียง ด้านหนึ่งของคลื่นจะไปถึงวัสดุที่สองก่อน และด้วยเหตุนี้จึงชะลอตัวลงเร็วกว่า เมื่อด้านหนึ่งของคลื่นเคลื่อนที่ช้าลง คลื่นทั้งหมดจะเบี่ยงเบนไปทางด้านนั้น นี่คือเหตุผลที่คลื่นจะเบี่ยงเบนออกจากพื้นผิวหรือเข้าหาแนวตั้งฉากเมื่อเคลื่อนที่เข้าไปในวัสดุที่มีความเร็วช้ากว่า ในทางตรงกันข้าม หากคลื่นเคลื่อนที่ไปถึงวัสดุที่มีความเร็วสูงกว่า ด้านหนึ่งของคลื่นจะเร่งความเร็วขึ้นและคลื่นจะเบี่ยงเบนออกจากด้านนั้น

อีกวิธีหนึ่งในการทำความเข้าใจสิ่งเดียวกันนี้คือการพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นที่ส่วนต่อประสาน เมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่งซึ่งคลื่นมีความเร็วv ที่แตกต่างกัน ความถี่fของคลื่นจะยังคงเท่าเดิม แต่ระยะห่างระหว่างหน้าคลื่นหรือความยาวคลื่นλ = v / fจะเปลี่ยนแปลง หากความเร็วลดลง เช่นในรูปทางด้านขวา ความยาวคลื่นก็จะลดลงด้วย ด้วยมุมระหว่างหน้าคลื่นและส่วนต่อประสานและการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างหน้าคลื่น มุมจะต้องเปลี่ยนแปลงที่ส่วนต่อประสานเพื่อรักษาหน้าคลื่นให้คงเดิม จากการพิจารณาเหล่านี้ ความสัมพันธ์ระหว่างมุมตกกระทบθ 1 _มุมส่งผ่านθ ₂และความเร็วคลื่นv ₁และv ₂ในวัสดุทั้งสองสามารถหาได้ นี่คือกฎการหักเหหรือกฎของสเนลล์และสามารถเขียนได้ดังนี้^{[ 7 ]}

$${\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1}}{\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}{v_{2}}}\,.}$$

ปรากฏการณ์การหักเหสามารถอนุมานได้ในรูปแบบพื้นฐานมากขึ้นจากสมการคลื่น 2 หรือ 3 มิติ เงื่อนไขขอบเขตที่ส่วนต่อประสานจะกำหนดให้ส่วนประกอบสัมผัสของเวกเตอร์คลื่นต้องเหมือนกันทั้งสองด้านของส่วนต่อประสาน^{[ 8 ]}เนื่องจากขนาดของเวกเตอร์คลื่นขึ้นอยู่กับความเร็วของคลื่น จึงจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางของเวกเตอร์คลื่น

ความเร็วคลื่นที่เกี่ยวข้องในการอธิบายข้างต้นคือความเร็วเฟสของคลื่น ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะใกล้เคียงกับความเร็วกลุ่มซึ่งถือได้ว่าเป็นความเร็วที่แท้จริงของคลื่น แต่เมื่อความเร็วทั้งสองแตกต่างกัน การใช้ความเร็วเฟสในการคำนวณทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการหักเหของแสงจึงมีความสำคัญ

คลื่นที่เคลื่อนที่ตั้งฉากกับขอบเขต กล่าวคือ มีหน้าคลื่นขนานกับขอบเขต จะไม่เปลี่ยนทิศทางแม้ว่าความเร็วของคลื่นจะเปลี่ยนแปลงก็ตาม

การหักเหของแสงยังเป็นสาเหตุของการเกิดรุ้งและการแยกแสงขาวออกเป็นสเปกตรัมสีรุ้งเมื่อผ่านปริซึม แก้ว แก้วและน้ำมีดัชนีหักเหสูงกว่าอากาศ เมื่อลำแสงขาวผ่านจากอากาศเข้าไปในวัสดุที่มีดัชนีหักเหแปรผันตามความถี่ (และความยาวคลื่น) จะเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการกระจายแสงซึ่งส่วนประกอบสีต่างๆ ของแสงขาวจะหักเหในมุมที่ต่างกัน กล่าวคือ พวกมันจะเบี่ยงเบนในปริมาณที่ต่างกันที่รอยต่อ ทำให้พวกมันแยกออกจากกัน สีต่างๆ เหล่านั้นสอดคล้องกับความถี่และความยาวคลื่นที่ต่างกัน

การหักเหของแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงผ่านผิวน้ำ เนื่องจากน้ำมีดัชนีหักเห 1.33 และอากาศมีดัชนีหักเหประมาณ 1 เมื่อมองวัตถุตรง เช่น ดินสอในรูปนี้ ซึ่งวางเอียงอยู่ในน้ำบางส่วน วัตถุจะดูเหมือนโค้งงอที่ผิวน้ำ นี่เป็นเพราะการหักเหของรังสีแสงเมื่อเคลื่อนที่จากน้ำไปยังอากาศ เมื่อรังสีมาถึงดวงตา ดวงตาจะติดตามรังสีเหล่านั้นกลับมาเป็นเส้นตรง (เส้นสายตา) เส้นสายตา (แสดงเป็นเส้นประ) ตัดกันที่ตำแหน่งที่สูงกว่าจุดที่รังสีกำเนิดขึ้นจริง ทำให้ดินสอปรากฏสูงขึ้นและน้ำดูตื้นกว่าความเป็นจริง

ความลึกที่ปรากฏของน้ำเมื่อมองจากด้านบนเรียกว่าความลึกที่ปรากฏนี่เป็นการพิจารณาที่สำคัญสำหรับการตกปลา ด้วยฉมวก จากผิวน้ำ เพราะจะทำให้ปลาเป้าหมายดูเหมือนอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างออกไป และนักตกปลาต้องเล็งต่ำลงเพื่อจับปลา ในทางกลับกัน วัตถุที่อยู่เหนือน้ำจะมีความสูงที่ปรากฏ สูงกว่าเมื่อมองจากใต้น้ำ ปลาที่ยิงฉมวกจะต้องทำการแก้ไขในทางตรงกันข้าม^{[ 9 ]}

สำหรับมุมตกกระทบขนาดเล็ก (วัดจากเส้นตั้งฉาก เมื่อsin θมีค่าประมาณเท่ากับtan θ ) อัตราส่วนของความลึกที่ปรากฏต่อความลึกจริงคืออัตราส่วนของดัชนีหักเหของอากาศต่อดัชนีหักเหของน้ำ แต่เมื่อมุมตกกระทบเข้าใกล้ 90° ความลึกที่ปรากฏจะเข้าใกล้ศูนย์ แม้ว่าการสะท้อนจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจำกัดการสังเกตที่มุมตกกระทบสูง ในทางกลับกัน ความสูงที่ปรากฏจะเข้าใกล้ค่าอนันต์เมื่อมุมตกกระทบ (จากด้านล่าง) เพิ่มขึ้น แต่จะเกิดขึ้นเร็วกว่านั้น เมื่อ เข้าใกล้ มุมสะท้อนภายในทั้งหมดแม้ว่าภาพจะจางหายไปเมื่อเข้าใกล้ขีดจำกัดนี้ก็ตาม

ดัชนีหักเหของอากาศขึ้นอยู่กับความหนาแน่น ของอากาศ ดังนั้นจึงแปรผันตามอุณหภูมิและความดัน ของอากาศ เนื่องจากความดันต่ำกว่าที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น ดัชนีหักเหจึงต่ำกว่าด้วย ทำให้รังสีของแสงหักเหลงสู่พื้นผิวโลกเมื่อเดินทางเป็นระยะทางไกลผ่านชั้นบรรยากาศ การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้ตำแหน่งปรากฏของดวงดาวที่อยู่ใกล้ขอบฟ้าเปลี่ยนไปเล็กน้อย และทำให้มองเห็นดวงอาทิตย์ได้ก่อนที่ดวงอาทิตย์จะขึ้นเหนือขอบฟ้าในเชิงเรขาคณิตขณะพระอาทิตย์ขึ้น

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในอากาศยังทำให้เกิดการหักเหของแสงได้ ซึ่งสามารถเห็นได้ในรูปของหมอกความร้อนเมื่ออากาศร้อนและเย็นผสมกัน เช่น เหนือไฟ ในไอเสียของเครื่องยนต์ หรือเมื่อเปิดหน้าต่างในวันที่อากาศหนาวเย็น ทำให้วัตถุที่มองผ่านอากาศที่ผสมกันนั้นดูเหมือนจะสั่นไหวหรือเคลื่อนที่ไปมาอย่างไม่เป็นระเบียบเมื่ออากาศร้อนและเย็นเคลื่อนที่ ผลกระทบนี้ยังสามารถมองเห็นได้จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอากาศตามปกติในวันที่แดดจัดเมื่อใช้เลนส์เทเลโฟโต้ ที่มีกำลังขยายสูง และมักจะจำกัดคุณภาพของภาพในกรณีเหล่านี้ ^{[ 10 ]}ในทำนองเดียวกันความปั่นป่วน ของบรรยากาศทำให้เกิด การบิดเบือนที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในภาพของกล้องโทรทรรศน์ ดาราศาสตร์ ซึ่งจำกัดความละเอียดของกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่ไม่ได้ใช้ระบบปรับแสงหรือเทคนิคอื่น ๆ เพื่อเอาชนะการบิดเบือนของบรรยากาศเหล่า นี้

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอากาศใกล้พื้นผิวสามารถก่อให้เกิดปรากฏการณ์ทางแสงอื่นๆ ได้ เช่นภาพลวงตาและฟาตา มอร์กานาโดยทั่วไปแล้ว อากาศที่ร้อนขึ้นจากถนนในวันที่แดดจัดจะหักเหแสงที่ส่องเข้ามาในมุมตื้นๆ เข้าหาผู้มอง ทำให้ถนนดูเหมือนสะท้อนแสง เกิดเป็นภาพลวงตาเหมือนมีน้ำปกคลุมถนน

ในทางการแพทย์โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ใน สาขาทัศนมาตรศาสตร์จักษุวิทยาและออร์โธปติกส์การหักเหของแสง (หรือที่เรียกว่าการวัดการหักเหของ แสง ) เป็นการทดสอบทางคลินิกที่ผู้เชี่ยวชาญด้านการดูแลดวงตาอาจใช้เครื่องฟอรอปเตอร์ เพื่อกำหนด ความผิดปกติของการหักเหของแสงของดวงตา และ เลนส์แก้ไขที่ดีที่สุดที่จะสั่งจ่าย มีการนำเสนอชุดเลนส์ทดสอบที่มีกำลัง แสง หรือความยาวโฟกัสที่แตก ต่างกัน เพื่อพิจารณาว่าเลนส์ใดให้การมองเห็นที่คมชัดและชัดเจนที่สุด^{[ 11 ]}การผ่าตัดแก้ไขการ หักเหของแสงเป็น ขั้นตอนทางการแพทย์เพื่อรักษาความผิดปกติของการมองเห็นทั่วไป

คลื่นน้ำเคลื่อนที่ช้าลงในน้ำตื้น สิ่งนี้สามารถใช้เพื่อสาธิตการหักเหในถังคลื่นและยังอธิบายว่าทำไมคลื่นบนชายฝั่งจึงมีแนวโน้มที่จะกระทบชายฝั่งในมุมที่ใกล้เคียงกับมุมฉาก เมื่อคลื่นเคลื่อนที่จากน้ำลึกไปยังน้ำตื้นใกล้ชายฝั่ง คลื่นจะหักเหจากทิศทางการเคลื่อนที่เดิมไปเป็นมุมที่ตั้งฉากกับชายฝั่งมากขึ้น^{[ 12 ]}

ในด้านเสียงใต้น้ำการหักเหคือการโค้งงอหรือการเบี่ยงเบนของรังสีเสียงที่เกิดขึ้นเมื่อรังสีผ่าน บริเวณ ที่มีความเร็วเสียงต่างกันจากบริเวณที่มีความเร็วเสียงหนึ่งไปยังบริเวณที่มีความเร็วเสียงต่างกัน ปริมาณการโค้งงอของรังสีขึ้นอยู่กับปริมาณความแตกต่างระหว่างความเร็วเสียง นั่นคือ ความแปรผันของอุณหภูมิ ความเค็ม และความดันของน้ำ^{[ 13 ]} ผลกระทบ ทางเสียง ที่คล้ายกันนี้ยังพบได้ในชั้นบรรยากาศของโลกปรากฏการณ์การหักเหของเสียงในชั้นบรรยากาศเป็นที่รู้จักกันมานานหลายศตวรรษ^{[ 14 ]}ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1970 การวิเคราะห์ผลกระทบนี้อย่างแพร่หลายได้รับความนิยมมากขึ้นผ่านการออกแบบทางหลวง ในเมือง และกำแพงกันเสียงเพื่อแก้ไข ผลกระทบ ทางอุตุนิยมวิทยาของการโค้งงอของรังสีเสียงในชั้นบรรยากาศตอนล่าง^{[ 15 ]}

• การหักเหสองทิศทาง (การหักเหสองชั้น)
• ทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต
• หลักการของฮุยเกนส์-เฟรสเนล
• รายชื่อดัชนีหักเหแสง
• การหักเหของแสงเชิงลบ
• การสะท้อนความคิด
• การถ่ายภาพแบบ Schlieren
• การหักเหของคลื่นแผ่นดินไหว
• การหักเหแสงขั้นสูง

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับการหักเหของแสง

• การสะท้อนและการหักเหในการติดตามรังสี : คำอธิบายอย่างง่ายแต่ละเอียดถี่ถ้วนเกี่ยวกับคณิตศาสตร์เบื้องหลังการหักเหและการสะท้อน
• การจำลองการหักเหของแสงแฟลช - ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดแสงอธิบายการหักเหและกฎของสเนลล์
• "การหักเหของแสง" สารานุกรมบริแทนนิกาเล่มที่ 23 (ฉบับที่ 11) ปี 1911 หน้า  25–29