שלום רב,

יש מספר טעויות בסיסיות בהצגת השאלה. להלן הרקע לאינטראקציה של פוטון עם חומר. כאשר פוטון חודר לחומר יכולים להתרחש מספר תהליכים. שלשת העיקריים בהם הם:
1. האפקט הפוטואלקטרי בו הפוטון מוסר את כל האנרגיה שלו לאלקטרון קשור באטום. האלקטרון ניפלט מהאטום באנרגיה שהיא שווה לאנרגית הפוטון פחות אנרגית הקשר של האלקטרון (האנרגיה שמחזיקה את האלקטרון קשור לאטום). כלומר האנרגיה של האלקטרון נמוכה יותר מהאנרגיה של הפוטון שגרם לפליטתו.

2.אפקט קומפטון. הפוטון פוגע באלקטרון, מוסר לו חלק מהאנרגיה שלו ונשאר פוטון עם אנרגיה נמוכה מזו של הפוטון המקורי. האנרגיה של הפוטון המקורי מתחלקת בין האלקטרון שניפלט לפוטון החדש שנפלט לפי זווית הפלטה ביניהם ( כמובן פחות אנרגית הקשר של האלקטרון שהיא אפסית ביחס לאנרגית הפוטון שפגע).

3. יצירת זוגות. באנרגיות גבוהות, מעל האנרגיה ששווה לשתי מסות אלקטרון (2X511 קא"ו),  הפוטון שפגע בחומר יוצר שני חלקיקים- אלקטרון ופוזיטרון (אלקטרון בעל מטען חיובי) שיפלטו בכיוונים מנוגדים (180 מעלות). האנרגיה שלהם תהייה שווה, כל אחד ייקח חצי ממה שנשאר מאנרגית הפוטון המקורי פחות האנרגיה הדרושה ליצירת שני החלקיקים כלומר פחות 1022 קא"ו.

עד כאן העובדות הבסיסיות. זה מתקן את טעות השואל בשאלה הראשונה. באנרגיות נמוכות מאד יכולים להיות תהליכים אחרים אבל זה נדיר. אני חוזר שוב – כדי להוציא אלקטרון ממסלולו באטום צריך להשקיעה את אנרגית הקשר שלו.

השואל מתכוון לתהליכים שמתרחשים בגבישים. בגבישים האלקטרונים מסודרים בפסים, לסרוגין, פס מותר שבו יכולים להימצא אלקטרונים ופס אסור שבו אין אלקטרונים. כדי להעביר אלקטרון מפס מותר נמוך (פס ערכיות) לפס מותר גבוה יותר (פס הולכה) צריך להשקיעה באלקטרון אנרגיה ששווה להפרש בין שני הפסים האלו כלומר רוחב הפס האסור שביניהם (ועוד אנרגית הקשר כמובן). זה קורה בדרך כלל בגלל אפקטים טרמיים (חום) או הפעלת שדה חשמלי על הגביש. זה יכול לקרות גם בפגיעת פוטון אם הוא מספיק אנרגטי.

לגבי השאלה השנייה. אם האלקטרון שקיבל אנרגיה ועלה לפס גבוה יותר לא עזב את האטום (בצורת זרם חשמלי בהשפעת שדה חשמלי שמופעל על הגביש), הוא יכול ליפול לאנרגיה נמוכה יותר, בדרך כלל לרמות מותרות בתוך הפס האסור (יש כאלו עקב זיהומים בגביש) או כאשר רוחב הפס האסור קטן בהשפעת שדה חשמלי (הפעלת מתח הפוך). בשני המקרים האנרגיה שתיפלט במעבר  תהייה נמוכה יותר מזו שהייתה דרושה להעלות את האלקטרון לרמה גבוהה. במקרים אלו יכול להיפלט אור ניראה מהגביש.

לגבי השורה האחרונה בשאלה, אור נראה בדרך כלל לא מספיק אנרגטי כדי להעלות אלקטרון לרמה גבוהה. השדה החשמלי ואנרגיה טרמית עושים שת זה. כאשר האלקטרון חוזר לרמה נמוכה יותר זה נעשה כאשר הפרש האנרגיות קטן יותר מזה שגרם לאלקטרון לעלות.

אין מצב שבו פוטון אחד יעלה אלקטרון לרמה גבוהה, זה "יפול" ויפלוט פוטון באותה אנרגיה בדיוק והתהליך ימשך בלי סוף. תמיד צריך להשקיעה יותר אנרגיה בהוצאת האלקטרון ממסלולו מזו המתקבלת בדעיכת האלקטרון ופליטת אור.

בברכה, 
 

פרופ' גד שני
הנדסה ביורפואית
אוניברסיטת בן גוריון