Условие
7.2.13. Определите разность потенциалов на обкладках конденсатора, если ленточный пучок протонов, перпендикулярный обкладкам и прошедший две узкие параллельные щели, сфокусировался на расстоянии
Решение
Рассмотрим движение одного протона, находящегося на небольшом расстоянии
Пусть первая пластина заземлена, а потенциал второй равен
Протоны до попадания в конденсатор были ускорены разностью потенциалов
Следовательно,
Будем считать, что
По условию фокус находится на расстоянии
следовательно, фокусирующее действие системы слабое. В дальнейшем это позволит использовать приближение
Для удобства введём обозначение
1. Отклонение протона в поле первой щели
Вдали от щели электрическое поле направлено перпендикулярно пластинам. Однако вблизи узкой щели силовые линии искривляются, поэтому появляется небольшая поперечная составляющая поля
Рассмотрим область краевого поля первой щели. Для протона, находящегося на расстоянии
Изменение поперечного импульса протона равно
Так как
получаем
Область краевого поля узкая, поэтому продольную скорость при прохождении этой области можно считать практически постоянной:
Следовательно,
Используя найденный интеграл поля,
Пусть исходное расстояние протона от оси равно
Так как угол отклонения мал,
Отсюда
Но
Следовательно,
Или через
Первая щель слегка отклоняет протон от оси.
2. Движение между пластинами
Между пластинами поле практически однородно и направлено вдоль оси движения. Поэтому поперечной силы здесь нет, а поперечный импульс сохраняется:
Однако продольная скорость протона уменьшается, поскольку положительный протон движется в сторону более высокого потенциала.
На расстоянии
Из закона сохранения энергии
Следовательно,
Вынося
Поэтому
Поперечный импульс после первой щели сохраняется, поэтому поперечная скорость равна
Следовательно, наклон траектории внутри конденсатора определяется выражением
Подставляя
Теперь найдём координату протона непосредственно перед второй щелью:
Выносим
Вычислим интеграл:
Следовательно,
Используя
получаем
Поэтому
3. Наклон траектории перед второй щелью
Перед второй пластиной кинетическая энергия протона равна
Следовательно,
Используя
Поперечный импульс между пластинами не меняется, поэтому непосредственно перед второй щелью
Но
Следовательно,
Отсюда
4. Отклонение во второй щели
Вторая щель отклоняет протон в противоположную сторону, то есть к оси.
Используем ту же формулу для изменения поперечного импульса:
Изменение угла равно
Следовательно,
Но
Поэтому
Через
Поскольку отклонение второй щели направлено к оси,
Подставляя найденные выражения,
Используем
Тогда
Обозначим
Тогда
Выражение в квадратных скобках становится
Приведём к общему знаменателю:
Следовательно,
Возвращаясь к
Знак минус означает, что после второй щели протон движется к оси пучка.
5. Использование условия
Так как
система является слабой электростатической линзой, поэтому
Разложим корень:
Следовательно,
В выражении для
а также
Тогда
Следовательно,
Или по модулю
Таким образом, эффекты первого порядка по
6. Условие фокусировки
После второй пластины электрическое поле практически отсутствует, поэтому протон движется прямолинейно.
Если он фокусируется на расстоянии
Поскольку
а сам угол уже имеет порядок
Следовательно,
С другой стороны,
Приравнивая два выражения,
Сокращая
Следовательно,
Откуда
Ответ
Первая щель слегка дефокусирует пучок, а вторая фокусирует его немного сильнее. Эффекты первого порядка по
Приближенное решение
Метод линз (решение второй очереди). В основе решения то, что в сечении, перпендикулярном щели и пластинам, протоны фокусируются как линзой (см. @emixter's альтернативное решение
Фокус щели
Форма искривления поля вблизи щели аналогична форме искривления поля по задаче
Пролетая щель протон получает поперечную скорость
где
Время дохода протона до плоскости симметрии щели
с другой стороны,
где
Предыдущие два дают с учетом
Получена связь фокусного расстояния щели с параметрами системы.
Общее фокусное
Пусть незаземленная пластина имеет отрицательный потенциал.
Фокусное удаление
где
Подставив
Это приводит к квадратному уравнению с корнем
Рассматривая приближение
После этого уже величинами первого порядка малости пренебрегаем и получаем