10.1.12∗. Вдоль однородного магнитного поля индукции $B$ из одной точки со скоростью $v$ вылетают электроны, имея малый угловой разброс $δα$. Определите, на каком расстоянии от места вылета пучок будет иметь минимальный поперечный размер, и оцените его.
Решение
Перед решением этой задачи рекомендую ознакомится с задачей 10.1.10.
Иллюстрация и идея решения взята из издания "Слободянюк А.И. «Очень длинные физические задачи» Часть 2. Задачи 10 – 18"
К задаче $10.1.12$
Движение каждой частицы будет
происходить по винтовой линии, радиус которой зависит от угла вылета частицы.
Причем все спирали не будут соосны, а будут
касаться одной прямой - оси пучка. Если угол вылета частиц к вектору магнитной индукции мал, то все
траектории-спирали будут иметь приблизительно одинаковый шаг (Допущение 1),
поэтому на расстоянии шага спирали будет наблюдаться эффект
фокусировки частиц.
Рассмотрим группу частиц вылетевших под одинаковыми углами $\beta$ к оси пучка. За некоторый промежуток времени t они пройдут дугу окружности $ϕ = \frac{2πt}{T}$ (T- циклотронный период) радиуса $R=\frac{m_evsin\beta}{eB}$, удалятся от оси пучка на расстояние $r=\mid2Rsin\frac{\varphi}{2}\mid$ и сместятся на расстояние $x = vt cos\beta$ вдоль этой оси. Из этого получим:
Ширина пучка будет определяться частицами, вылетевшими под максимальным углом $\beta=\frac{\delta\alpha}{2}$, то есть функция зависимости радиуса пучка от координаты x имеет вид
Минимумам данной функции соответствуют "фокусные расстояния" системы:
$x_f=\frac{2\pi mv}{eB}k, k\in N$(3)
Заметим, что при малых $k$ Допушение 1 работает лучше (см. рис.), поэтому в ответ записываем значение при $k=1$
Для определения ширины пучка в области фокуса необходимо учесть зависимость продольной компоненты скорости от угла вылета. Для этого внесем в Допушение 2 уточнение для косинуса: $cos\beta\approx1-\frac{\beta^2}{2}$ (Допущение 3), и перепишем уравнение (1) для области фокуса:
$r(x)=\frac{2m_ev\beta}{eB}\mid sin(\frac{eBx_f}{2m_ev(1-\frac{\beta^2}{2})})\mid=\frac{2m_ev\beta}{eB}\mid sin(\frac{\pi}{1-\frac{\beta^2}{2}})\mid$(4) Максимальное значение этой функции соответствует максимальному углу вылета, поэтому ширина пучка определяется формулой