
La riflessione è il fenomeno, governato dalla legge della riflessione, per cui un'onda elettromagnetica che colpisce una superficie di separazione tra due mezzi, in parte prosegue il suo percorso deviandolo al di là della superficie, mentre in parte torna nella direzione da cui proveniva. In particolare, secondo la nota legge, detto formula_1 l'angolo di incidenza del raggio luminoso e detto formula_2 l'angolo formato dal raggio riflesso con la normale alla superficie, si ha che formula_3. Se invece si chiama formula_4 l'angolo formato dal raggio rifratto con la normale alla superficie, secondo la legge di Snell si ha che formula_5, detti formula_6 e formula_7 gli indici di rifrazione dei mezzi.
Si ha una riflessione interna totale quando l'angolo formula_4 raggiunga l'ampiezza di formula_9, cioè quando non esista più onda rifratta. Questo fenomeno può avvenire nel passaggio da un mezzo più denso a uno meno denso (ovvero, "n" > "n") e l'angolo formula_1 tale per cui non esiste onda rifratta è detto angolo critico:
Quando θ > θ non appare alcun raggio rifratto: la luce incidente subisce una riflessione interna totale ad opera dell'interfaccia. Si genera un'onda di superficie, o onda evanescente ("leaky wave"), che decade esponenzialmente all'interno del mezzo con indice di rifrazione "n".
La formula precedente è stata ottenuta ponendo nella legge di Snell formula_12 perché formula_13.


La rifrazione è la deviazione subita da un'onda che ha luogo quando questa passa da un mezzo a un altro otticamente differenti nel quale la sua velocità di propagazione cambia. La rifrazione della luce è l'esempio più comunemente osservato, ma ogni tipo di onda può essere rifratta, per esempio quando le onde sonore passano da un mezzo a un altro o quando le onde dell'acqua si spostano a zone con diversa profondità.
In ottica, la rifrazione avviene quando una onda luminosa passa da un mezzo a un altro avente un indice di rifrazione diverso. Sul bordo dei due mezzi, la velocità di fase dell'onda è modificata, cambia direzione e la sua lunghezza d'onda è aumentata o diminuita. Per esempio, i raggi di luce si rifrangono quando entrano o escono dal vetro; la comprensione di questo concetto ha consentito l'invenzione delle lenti e del telescopio a rifrazione.
La rifrazione può essere osservata guardando all'interno di un bicchiere pieno d'acqua. L'aria ha un indice di rifrazione di circa 1,0003, mentre l'acqua ha un indice di circa 1,33. Se si guarda un oggetto dritto, come una penna parzialmente immersa e inclinata, l'oggetto appare piegato dalla superficie dell'acqua. 
L'estremità x della penna, interessata dall'energia radiante, si comporta come sorgente secondaria di radiazione ed emette raggi di luce in tutte le possibili direzioni dello spazio. Consideriamo adesso il percorso di due di questi raggi, quelli evidenziati in rosso in figura. Tali raggi, in corrispondenza alla superficie di discontinuità fra l'acqua e l'aria si piegano, allontanandosi dalla normale alla superficie condotta nel punto in cui i raggi stessi incidono. I raggi rifratti vengono catturati dall'occhio umano e l'intersezione dei loro prolungamenti determina un punto virtuale, indicato con y in figura, dal quale l'occhio umano ha la sensazione che provenga l'immagine. In altre parole, l'occhio dell'osservatore non vede l'estremità x della penna, ma una sua immagine virtuale, ottenuta dal prolungamento dei due raggi rifratti.
La rifrazione è responsabile degli arcobaleni e della scomposizione della luce bianca nei colori dell'arcobaleno che avviene quando la luce passa attraverso un prisma. Il vetro ha un alto indice di rifrazione rispetto all'aria e le diverse frequenze della luce viaggiano a velocità diverse (dispersione), causando la rifrazione dei colori a diversi angoli, e quindi la scomposizione. La differenza nella frequenza corrisponde nella diversità della tonalità.
Altri fenomeni ottici sono il miraggio e la fata Morgana. Questi sono causati dal cambiamento dell'indice di rifrazione in funzione della temperatura dell'aria.
Recentemente sono stati sviluppati alcuni metamateriali che hanno un "indice di rifrazione negativo".
La legge di Snell descrive quanto i raggi sono deviati quando passano da un mezzo a un altro. Se il raggio proviene da una regione con indice di rifrazione formula_1 ed entra in un mezzo con indice formula_2 gli angoli di incidenza formula_3 e di rifrazione formula_4 sono legati dall'espressione:
dove formula_6 e formula_7 sono le velocità nei mezzi.
Nel 1880 H.A. Lorentz e L.V. Lorenz introdussero il concetto di rifrazione molare relativamente a una mole di sostanza definendolo in base all'equazione
dove "R" è la rifrazione molare, "n" l'indice di rifrazione della sostanza e "V" il volume molare dato dal rapporto tra il peso molecolare e la densità del materiale in esame.
La rifrazione molare è una grandezza additiva ed è quindi ricavabile anche sommando i valori tabulati in letteratura relativi a singoli atomi e legami chimici che caratterizzano il composto in esame, il tutto in buon accordo coi dati sperimentali.
Lorentz e Lorenz correlarono anche il volume di polarizzabilità con la rifrazione molare a lunghezza d'onda infinita (frequenza della radiazione utilizzata eguale a zero) tramite l'equazione
dove "R" è la rifrazione molare a lunghezza d'onda infinita, "N" la costante di Avogadro e α' il volume di polarizzabilità.
