7.2.13. Определите разность потенциалов на обкладках конденсатора, если ленточный пучок протонов, перпендикулярный обкладкам и прошедший две узкие параллельные щели, сфокусировался на расстоянии $l$ от второй обкладки. Протоны были ускорены разностью потенциалов $V_0$. Расстояние между обкладками конденсатора $d$. Первая обкладка заземлена, $l \gg d$.
Решение
Рассмотрим движение одного протона, находящегося на небольшом расстоянии $x$ от оси пучка.
Пусть первая пластина заземлена, а потенциал второй равен $V$. Тогда между пластинами существует электрическое поле порядка
$$E=\frac{V}{d}.$$
Протоны до попадания в конденсатор были ускорены разностью потенциалов $V_0$, поэтому их начальная кинетическая энергия равна
$$K_0=eV_0.$$
Следовательно,
$$\frac{mv_0^2}{2}=eV_0.$$
Будем считать, что $V>0$, поэтому при движении от первой пластины ко второй положительные протоны тормозятся.
По условию фокус находится на расстоянии
$$l\gg d,$$
следовательно, фокусирующее действие системы слабое. В дальнейшем это позволит использовать приближение
$$\frac{V}{V_0}\ll1.$$
Для удобства введём обозначение
$$\varepsilon=\frac{V}{V_0}.$$
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 $E_{\perp}$.
Рассмотрим область краевого поля первой щели. Для протона, находящегося на расстоянии $x$ от оси, интеграл поперечной составляющей поля по продольной координате имеет порядок
$$\int E_{\perp}\,dz=\frac{V}{d}x.$$
Изменение поперечного импульса протона равно
$$\Delta p_{\perp}=\int F_{\perp}\,dt.$$
Так как
$$F_{\perp}=eE_{\perp},$$
получаем
$$\Delta p_{\perp}=e\int E_{\perp}\,dt.$$
Область краевого поля узкая, поэтому продольную скорость при прохождении этой области можно считать практически постоянной:
Таким образом, эффекты первого порядка по $V/V_0$ от двух щелей взаимно компенсируются, а результирующее фокусирующее действие имеет второй порядок малости.
6. Условие фокусировки
После второй пластины электрическое поле практически отсутствует, поэтому протон движется прямолинейно.
Если он фокусируется на расстоянии $l$ от второй пластины, то для малого угла
$$|\theta_{\text{out}}|\simeq\frac{x_2}{l}.$$
Поскольку
$$x_2=x_0\left[1+O(\varepsilon)\right],$$
а сам угол уже имеет порядок $\varepsilon^2$, в требуемом приближении можно положить
Первая щель слегка дефокусирует пучок, а вторая фокусирует его немного сильнее. Эффекты первого порядка по $V/V_0$ практически компенсируются, поэтому результирующее фокусирующее действие имеет порядок $(V/V_0)^2$.
Альтернативное решение
Метод линз. В основе решения то, что в сечении, перпендикулярном щели и пластинам, протоны фокусируются как линзой и будем считать корректным приближение геометрической оптики (см. супер @emixter's решение $7.2.8$ и др. задачи этих разделов через подход линзы).
Из-за длиннофокусности $l \gg d$ результирующей считаем $V \ll V_0$, так что изменением скорости вдоль основного поля конденсатора пренебрегаем.
Фокус щели
Форма искривления поля вблизи щели аналогична форме искривления поля по задаче $7.2.12$, если для расчета использовать параллелепипед как в той задаче, одна грань которого в плоскости щели, а противовположная грань в месте начала искривления поля. Поэтому используем результат той задачи.
Пролетая щель протон получает поперечную скорость
$$v_\perp = \frac{e}{mv}\frac{Vy}{2d},$$
где $v$ есть продольная скорость, $V$ есть напряжение конденсатора, $y$ есть размер параллелепипеда для теоремы Гаусса вдоль оси, перпендикулярной щели и основному полю. (Заметим, что параллелепипед взят с $y$, равным двойному расстоянию до плоскости симметрии щели, так что через две грани, идущие параллельно плоскости симметрии, есть два(!) равных потока напряженности по симметрии.)
Время дохода протона до плоскости симметрии щели
$$\tau = \frac{\frac{y}{2}}{v_\perp},$$
с другой стороны,
$$\tau = \frac{\ell}{v},$$
где $\ell$ есть так называемое фокусное расстояние щели для этого протона (на сколько он удалится от линзы при попадании на плоскость симметрии щели).
Предыдущие два дают с учетом $K = \dfrac{mv^2}{2}$
где $\ell_1,\ell_2$ есть фокусные расстояния щели $1$ и $2$ по порядку пролета (формула из оптики для оптической системы из двух линз, разведенных на расстояние $d$).
Подставив $(1)$ в эту формулу и учитывая, что соответствующие продольные кинетические энергии для двух щелей примерно равны $K_1 \approx K_2 = eV_0$, получаем после упрощения ответ