10.1.17. а) В плоском конденсаторе длины $l$ напряженность электрического поля равна $E$, а индукция магнитного поля, направленного вдоль $E$, равна $B$. У входа в конденсатор имеется радиоактивный источник, испускающий электроны с разными скоростями. Из них формируют тонкий пучок, который проходит через конденсатор, а затем попадает на фотопластинку, расположенную на расстоянии $L \gg l$. Какую линию-след «вычертят» электроны на фотопластинке, если отклонения их от прямолинейной траектории малы?
б) Найдите линию-след электронов на фотопластинке для $B = 1$ Тл, $E = 5 \cdot 10^5$ В/м, $l = 5$ см, $L = 50$ см.
в) При большой скорости электрона его масса заметно изменяется; согласно формуле Лоренца $m = m_e / \sqrt{1 - \beta^2}$, где $\beta$ — отношение скорости электрона к скорости света, $m_e$ — масса покоя электрона. Решите задачу 10.1.17а с учетом эффекта изменения массы электрона.
К задаче $10.1.17$
Решение
а) Введем систему координат, как показано на рисунке к задаче: пучок летит вдоль оси $x$, поля направлены вертикально вверх вдоль оси $y$ ($\vec{E} = E \hat{j}$,$\vec{B} = B \hat{j}$). Сила, действующая на электрон (с зарядом $q = -e$) — это сила Лоренца: $$\vec{F} = -e\vec{E} - e(\vec{v} \times \vec{B})$$ Поскольку отклонения малы, время пролета внутри конденсатора составляет $t_1 \approx l/v$. Поперечные силы, действующие на электрон: $F_y = -eE$ (электрическая сила отклоняет вниз, против оси $y$) $F_z = -e(v\hat{i} \times B\hat{j})_z = -evB$ (магнитная сила отклоняет против оси $z$)
Поперечные компоненты скорости при вылете из конденсатора: $$v_z = a_z t_1 = -\frac{evB}{m} \frac{l}{v} = -\frac{eBl}{m}$$ $$v_y = a_y t_1 = -\frac{eE}{m} \frac{l}{v} = -\frac{eEl}{mv}$$
Поскольку $L \gg l$, мы можем пренебречь малым смещением электрона внутри самого конденсатора и рассматривать смещение только во время свободного полета к экрану, где время дрейфа $t_2 \approx L/v$: $$z \approx v_z t_2 = -\frac{eBlL}{mv}$$ $$y \approx v_y t_2 = -\frac{eElL}{mv^2}$$
Чтобы найти уравнение траектории на экране (в координатах $z, y$), выразим скорость $v$ из уравнения для горизонтального отклонения $z$: $$v = -\frac{eBlL}{mz}$$ Подставим полученное выражение в уравнение для вертикального отклонения $y$: $$y = -\frac{eElL}{m} \left( -\frac{mz}{eBlL} \right)^2 = - \frac{mE}{e B^2 l L} z^2$$ След на экране представляет собой ветвь параболы (электроны попадают в квадрант $-z, -y$).
Из этих уравнений можно выразить полный импульс $p$ и произведение $pv$: $$p = -\frac{eBlL}{z} \quad \text{и} \quad pv = - \frac{eElL}{y}$$ Разделив второе выражение на первое, найдем скорость: $$v = \frac{pv}{p} = \frac{E z}{B y}$$
Используем релятивистскую связь между импульсом и скоростью: $p = \frac{m_e v}{\sqrt{1 - (v/c)^2}}$. Подставим выражения для $p$ и $v$ в это соотношение: $$-\frac{eBlL}{z} = \frac{m_e (Ez / By)}{\sqrt{1 - \left( \frac{Ez}{Bcy} \right)^2}}$$ Возведем обе части уравнения в квадрат, чтобы избавиться от корня и минуса: $$\frac{e^2 B^2 l^2 L^2}{z^2} \left( 1 - \frac{E^2 z^2}{B^2 c^2 y^2} \right) = \frac{m_e^2 E^2 z^2}{B^2 y^2}$$ Раскроем скобки: $$\frac{e^2 B^2 l^2 L^2}{z^2} - \frac{e^2 E^2 l^2 L^2}{c^2 y^2} = \frac{m_e^2 E^2 z^2}{B^2 y^2}$$ Умножим всё выражение на $z^2 y^2$ и выразим $y^2$: $$e^2 B^2 l^2 L^2 y^2 = \frac{e^2 E^2 l^2 L^2 z^2}{c^2} + \frac{m_e^2 E^2 z^4}{B^2}$$ $$y^2 = \frac{E^2 z^2}{e^2 B^2 l^2 L^2} \left( \frac{e^2 l^2 L^2}{c^2} + \frac{m_e^2 z^2}{B^2} \right)$$ Извлекая квадратный корень (и выбирая знак минус, так как отклонение происходит в отрицательном направлении оси $y$), получаем: $$y = - \frac{m_e E}{e B^2 l L} z \sqrt{z^2 + \left( \frac{eBlL}{m_e c} \right)^2}$$
Ответ
а) $y = - \frac{m_e E}{e B^2 l L} z^2$
б) $y = -1.14 \cdot 10^{-4} \cdot z^2$ м
в) $y = - \frac{m_e E}{e B^2 l L} z \sqrt{z^2 + \left( \frac{eBlL}{m_e c} \right)^2}$
*Примечание к официальному ответу:* При сверке с ответами в оригинальном задачнике Савченко следует обратить внимание на следующие опечатки и неточности:
В задачнике пропущены знаки минус. Поскольку электрон несет отрицательный заряд, смещение пучка происходит в отрицательном направлении осей $y$ и $z$, однако авторы приводят уравнение кривой по модулю.
В официальном ответе к пункту (в) допущена грубая математическая опечатка: под знаком корня в первом слагаемом пропущен квадрат (напечатано $z \sqrt{z + \dots}$ вместо $z \sqrt{z^2 + \dots}$). Представленный в задачнике вид нарушает правила размерности физических величин.