問題文
互いに垂直な均一の電場と均一の磁場が存在する空間を考える。
xyz 直交座標系において、領域 y>0 には +y 方向に大きさが一定の均一な電場 E=(0,E,0) および +z 方向に大きさが一定の均一な磁場 B=(0,0,B) がかけられている。領域 y≤0 には電場・磁場ともに存在しない。
時刻 t=0 において、質量 m、電荷 q (q>0) の荷電粒子を原点 (0,0,0) から +y 方向に初速 v0 で入射させた。荷電粒子の運動は xy 平面内に限られるものとし、重力の影響および放射によるエネルギー損失は無視できるものとする。
この荷電粒子は領域 y>0 内で運動した後、ある時刻 t1>0 において再び x 軸上(y=0)の点 (x1,0,0) に到達した。
荷電粒子が領域 y>0 内にある間の y 方向の運動方程式から、荷電粒子が到達する最大高さ ymax は ymax=2qEm(v0+vd)2−mvd2 と表される。ここで vd=BE はドリフト速度の大きさである。
この最大高さ ymax を表す式は、無次元量 k=vdv0 を用いると次のように書き直すことができる。
ymax=2qEmv02⋅C
このとき、係数 C は k の関数として C=1+k2 と表される。
荷電粒子が x 軸上に到達した位置 x1 は、x1=−qBm(v0π+vdα) と表される。ここで α は定数である。
定数 α を用いて無次元量 R=πα を定義するとき、R は既約分数 qp と表される。自然数 p,q の和 p+q の値を求めよ。
制約
- m=1.0×10−26 kg
- q=1.6×10−19 C
- E=2.0×103 V/m
- B=0.10 T
- v0=4.0×104 m/s
入力形式
求める自然数 p+q の値をそのまま答えよ。