利用電場和磁場,可以將比荷不同的離子分開,這種方法在化學分析和原子核技術等領域有重要的應用.如圖所示的矩形區(qū)域ACDG(AC邊足夠長)中存在垂直于紙面的勻強磁場,A處有一狹縫.離子源產生的離子,經靜電場加速后穿過狹縫沿垂直于GA邊且垂直于磁場的方向射入磁場,運動到GA邊,被相應的收集器收集.整個裝置內部為真空.已知被加速的兩種正離子的質量分別是m
1和m
2(m
1>m
2),電荷量均為q.加速電場的電勢差為U,離子進入電場時的初速度可以忽略.不計重力,也不考慮離子間的相互作用.
(1)求質量為m
1的離子進入磁場時的速率v
1;
(2)當磁感應強度的大小為B時,求兩種離子在GA邊落點的間距s;
(3)在前面的討論中忽略了狹縫寬度的影響,實際裝置中狹縫具有一定寬度.若狹縫過寬,可能使兩束離子在GA邊上的落點區(qū)域交疊,導致兩種離子無法完全分離.設磁感應強度大小可調,GA邊長為定值L,狹縫寬度為d,狹縫右邊緣在A處.離子可以從狹縫各處射入磁場,入射方向仍垂直于GA邊且垂直于磁場.為保證上述兩種離子能落在GA邊上并被完全分離,求狹縫的最大寬度.