In 1934 ontdekte de Russische natuurkundige Pavel Cherenkov een gloed van blauw licht rondom een radioactief preparaat. Dat was een vreemd verschijnsel. Waar kwam dat blauwe licht vandaan? Hoe kon het ontstaan?
Samen met twee andere natuurkundigen werkte Cherenkov de theorie erachter uit. In 1958 kregen ze er gedrieën de Nobelprijs voor natuurkunde voor.

Dit blauwe licht blijkt op te treden wanneer een elektrisch geladen deeltje zich hoger dan de lichtsnelheid door een medium, meestal water, verplaatst. In eerste instantie denk je, hoger dan de lichtsnelheid kan niet vanwege de relativiteitstheorie van Einstein (die allang geen theorie meer is, want veelvuldig in de praktijk bewezen, maar dat terzijde). Iets wat massa heeft kan nooit sneller dan het licht. Dat klopt wanneer we het over het vacuüm hebben, en omdat lucht zeer ijl is, bij benadering ook voor lucht. Echter, in een medium als water vertraagt de lichtsnelheid met de factor van de brekingsindex. Bij water is die factor 1,33. Wat inhoudt dat licht daar niet met een snelheid van 300.000 km/s doorheen beweegt, maar met een snelheid van 300.000 / 1,33 = 225.000 km/s.
In een kernreactor (en ook bij radioactief verval) behalen de ontstane deeltjes al gauw een snelheid van meer dan 225.000 km/s. Water wordt in kernreactoren gebruikt om de splijtstofelementen af te koelen. Anders krijgen ze een te hoge temperatuur, met alle gevaren van dien. Alleen daar, in het water dus, gaan de deeltjes sneller dan het licht. Met als gevolg dat daar het blauwe licht optreedt, niet op andere plekken.


             Het blauwe licht in een kernreactor

Maar dan, hoe ontstaat dat blauwe licht? We kunnen om dit te begrijpen het verschijnsel van het doorbreken van de geluidsbarrière van bijvoorbeeld straaljagers erbij betrekken. Ik heb daar eerder over geschreven, zie hier.
Wanneer een straaljager de snelheid van het geluid benadert, zal de golflengte van het waargenomen geluid steeds kleiner worden en de toonhoogte steeds hoger. Dit volgens het zogenaamde Dopplereffect. Iedereen kent dat wel uit de praktijk. Wanneer een ziekenauto met sirene jou nadert hoor je een hoger geluid dan wanneer de auto zich van jou verwijdert. Hetzelfde doet zich voor bij een langs denderende trein of een straaljager in de lucht.
Wanneer de straaljager door de geluidsbarrière breekt, dus sneller dan het geluid gaat, boort de straaljager zich door zijn eigen front heen. Er ontstaat een schokgolf. Hier zijn fraaie foto’s van gemaakt.


     Straaljager die door de geluidsbarrière heenbreekt

Zich voortplantende elektrisch geladen deeltjes vormen ook golven, zoals alle bewegende materie golfverschijnselen vertoont. Dit is voor het eerst aangetoond en beschreven door Louis de Broglie in 1924. De golflengte van bewegende deeltjes wordt sindsdien De Broglie golflengte (met als symbool λ)  genoemd, in formule λ = h/p, waarbij h de constante van Planck is en p de impuls (= hoeveelheid beweging) van het deeltje. (Onder andere wordt hier gebruik van gemaakt bij de elektronenmicroscoop, die zo'n 1000 keer nauwkeuriger kan waarnemen dan de gewone lichtmicroscoop. Deze laatste vindt zijn begrenzing in het feit dat zichtbare lichtdeeltjes - fotonen - tussen de 380 en 780 nm groot zijn, dus tussen de 0,00038 en 0,00078 mm: wanneer het te bestuderen object kleiner is dan dit formaat, buigen de fotonen er omheen, worden ze niet weerkaatst, en zie je dus niets).

Wanneer nu de snelheid van de zich voortplantende golven van de elektrisch geladen deeltjes hoger is dan die van het licht ter plaatse, treedt ook hier een schokgolf op. Deze schokgolf vormt (net als bij geluid) een kegel die smaller wordt naargelang de snelheid van het deeltje groter is. Zie het plaatje hieronder.


  De schokgolfkegel die zorgt voor het blauwe licht

In het water zullen de positief geladen gedeelten van het watermolecuul zich richten naar een deeltje dat negatief van lading is, zoals een bewegend elektron. Er ontstaat binnen het water een (lichte) scheiding van positieve en negatieve lading.  Bij een relatief kleine snelheid zal het netto elektromagnetisch veld nog nul zijn. Echter, door de schokgolf die ontstaat wanneer het geladen deeltje sneller dan het licht ter plekke gaat, zal het netto elektromagnetisch veld substantieel groter dan nul worden. Dit netto elektromagnetisch veld is zeer plaatselijk aanwezig, namelijk alleen daar waar het geladen deeltje zich voortplant. Het verandert door het water heen voortdurend van grootte. Dit steeds veranderende elektromagnetische veld nu veroorzaakt straling in de vorm van fotonen (= lichtdeeltjes).* In de praktijk hebben deze fotonen verschillende golflengten, een continu spectrum variërend van 400 nm en kleiner (een nm is een nanometer is één miljoenste millimeter). Als licht zien we dit als blauw en violet. Omdat onze (beperkte) ogen echter violet nauwelijks kunnen waarnemen, blijft voor ons het blauwe licht over. Daarom dus die blauwe gloed, de Cherenkovstraling zoals die sinds de ontdekking door Cherenkov wordt genoemd..

In het VWO-eindexamen natuurkunde van 2019 tijdvak 1 werd hier een opgave aan gewijd. Deze keer bij de werking van een PET-scan. In plaats van een elektron beweegt er hier een positron (= het antideeltje van een elektron) door een weefsel (met een brekingsindex vergelijkbaar met die van water). Zie https://www.natuurkunde.nl/opdrachten/3480/pet-samen-met-cli-vwo-examen-2019-1-opg-2. Interessant, toepasbaar, veelzeggend.


* Als je een lading op- en neer laat trillen in bijvoorbeeld een antenne (een staaf ijzer die maar aan één kant met de aarde is verbonden en waarvan je door middel van een spanning ladingsdragers wegzuigt of erin duwt) dan heb je een staaf waar geen stroom doorgaat maar waar de lading wel heen- en weer beweegt. Dat geeft wisselende elektrische velden die door inductie wisselende magneetvelden veroorzaken die weer elektrische velden veroorzaken die weer magnetische velden geven die weer... en zo ontstaat een elektromagnetische golf die met lichtsnelheid in lucht en vacuum kan voortbewegen en die we als elektromagnetische straling aanmerken, ook wel fotonen genoemd.