Условие
7.2.9. Тонкий параллельный пучок заряженных частиц, ускоренных разностью потенциалов
Решение
В данном решении задача рассматривается в строгом соответствии с текстом условия: модель представляет собой равномерно заряженную сферическую полость (пустую внутри оболочку), весь заряд которой сосредоточен на поверхности и у которой есть 2 небольших отверстия для пролета пучка заряженных частиц.
1. Модель задачи
Для начала обоснуем, почему продольную скорость частиц
Для расчета электрических полей применим "принцип суперпозиции". Представим реальную оболочку с двумя отверстиями как наложение двух систем:
- Идеальная сплошная заряженная сфера с поверхностной плотностью
. - Два небольших диска с плотностью заряда
, расположенных в местах входного и выходного отверстий (они «вырезают» дырки в сплошной сфере).
Поле внутри идеальной сплошной сферы строго равно нулю. Следовательно, всё электрическое поле внутри полости создается исключительно этими двумя локальными дисками. Поле каждого диска максимально вблизи самого отверстия и стремительно затухает при удалении от него. Поэтому изменение импульса частицы происходит не плавно, а в виде двух резких «толчков» в моменты прохождения сквозь отверстия.
2. Первый поперечный импульс на входе
Пусть частица летит на расстоянии
Цилиндр вырезает из заряженной оболочки площадку с зарядом
По теореме Гаусса поток вектора напряженности через боковую поверхность этого цилиндра:
Отсюда интеграл поперечного поля в зоне первого отверстия:
Поперечный импульс, который частица приобретает, пробивая локальное поле входного отверстия:
3. Проверка фокусировки внутри полости
Получив первый поперечный импульс, частица летит вглубь полости. У нее появляется поперечная скорость
Время, за которое частица долетела бы до оси, равно
Подставляем найденный импульс:
Кинетическая энергия частиц задается ускоряющим напряжением:
Потенциал в центре заряженной сферы
Подставляем это в формулу для
По условию
4. Второй импульс и итоговое фокусное расстояние
Пролетая сквозь выходное отверстие на удалении
Полный поперечный импульс после вылета из мишени:
Итоговое фокусное расстояние
Снова подставляя
Ответ
*Примечание: Данный результат является строгим следствием для пустой сферической оболочки. Ответ в самом задачнике вероятно получен для альтернативной модели — сплошного заряженного шара, в котором проделан сквозной цилиндрический канал.*