Условие
7.3.9∗ . Тонкий пучок электронов, ускоренный разностью потенциалов $V$ , входит в плоский конденсатор параллельно его пластинам. Определите угловой разброс электронов, если на пластины конденсатора подается напряжение $V_0 \sin \omega t$ . Расстояние между пластинами конденсатора $d$ много меньше его длины $l$ .
К задаче $7.3.9$
Решение
Траектория частицы в электрическом поле
Из рисунка
$$\tan\alpha = \frac{v_y}{v_x}$$
Закон сохранения энергии
$$\frac{mv^2_x}{2}=eU$$
Откуда
$$v_x=\sqrt{\frac{2eU}{m}}$$
Сила $\vec{F}$ , действующая на частицу:
$$F=\frac{eU}{d}=e\frac{U_0}{d}\sin\omega t$$
Второй закон Ньютона
$$ma=\frac{eU_0}{d}\sin\omega t$$
По определению ускорения $a = \frac{dv}{dt}$
$$\frac{dv}{dt}=\frac{eU_0}{md}\sin\omega t$$
Перегруппируем и проинтегрируем
$$\int _0^{v_y}dv=\frac{eU_0}{md}\int_0^t\sin\omega t\,dt$$
$$v_y=\frac{eU_0}{md\omega}(1-\cos\omega t)$$
Время, за которое частица пролетит по горизонтали расстояние $l$
$$t=\frac{l}{v_x}=l\sqrt{\frac{m}{2eU}}$$
Найдём угол между скоростью частицы и горизонталью
$$\tan\theta = \frac{v_y}{v_x}=\frac{eU_0}{m\omega d}\sqrt{\frac{m}{2eU}} \left( 1-\cos\omega l \sqrt{\frac{m}{2eU}}\right)$$
Откуда угол $\angle \theta$
$$\boxed{\theta =\operatorname{\arctan } \left( \frac{U_0}{\omega d}\sqrt{\frac{e}{2mU}} \bigg[ 1-\cos\omega l \sqrt{\frac{m}{2eU}}\bigg] \right)}$$
Небольшое дополнение. Поскольку $d \ll l$ , можно использовать приближение $\tan x \approx x$
$${\theta = \frac{U_0}{\omega d}\sqrt{\frac{e}{2mU}} \bigg[ 1-\cos\omega l \sqrt{\frac{m}{2eU}}\bigg] }$$
Найдём требуемый угол рассеяния
$${\Delta \alpha =2\theta = \frac{U_0}{\omega d}\sqrt{\frac{2e}{mU}} \bigg[ 1-\cos\omega l \sqrt{\frac{m}{2eU}}\bigg] }$$
Ответ
$$\Delta\alpha =\pm\operatorname{\arctan }\bigg\{\frac{V_{0}}{d\omega}\sqrt{\frac{2e}{m_{e}V}}\bigg[1-\operatorname{cos}\bigg(\omega l\sqrt{\frac{m_{e}}{2eV}}\bigg)\bigg]\bigg\}$$