Закон сохранения импульса гласит, что в замкнутой системе суммарный импульс до какого-либо взаимодействия равен суммарному импульсу после этого взаимодействия, при условии, что на систему не действуют внешние силы. Этот принцип применим ко многим физическим процессам, включая деление ядра атома урана.
Ядро урана-235, при поглощении нейтрона, может стать нестабильным и разделиться на два (или больше) осколка, при этом выделяется значительное количество энергии. Этот процесс называется ядерным делением. Чтобы понять, почему осколки разлетаются в противоположных направлениях, рассмотрим систему до и после деления:
До деления: Уран-235 и нейтрон, который поглощается ядром, образуют систему с определенным суммарным импульсом. В большинстве случаев, если не учитывать внешние воздействия, суммарный импульс этой системы до деления равен нулю (например, если ядро урана покоится, а нейтрон движется с определенной скоростью).
Во время деления: Когда ядро делится, энергия, высвобождаемая в результате этого процесса, распределяется между образовавшимися осколками. Поскольку суммарный импульс системы должен сохраняться, импульсы образовавшихся осколков должны компенсировать друг друга.
После деления: В результате деления образуются два осколка и несколько нейтронов. Чтобы суммарный импульс системы остался равным нулю (или равным импульсу до деления, если он был не нулевой), осколки должны разлететься в противоположные стороны. Это означает, что если один осколок движется в одном направлении, второй осколок должен двигаться в противоположном направлении с таким импульсом, чтобы их суммарный импульс был равен суммарному импульсу исходной системы.
Например, если ядро урана делится на два осколка массой m1 и m2 и двигающиеся с скоростями v1 и v2 соответственно, то для выполнения закона сохранения импульса:
[ m{\text{уран}} \cdot v{\text{уран}} = m_1 \cdot v_1 + m_2 \cdot v_2 ]
Если ядро урана изначально покоится, то:
[ 0 = m_1 \cdot v_1 + m_2 \cdot v_2 ]
Отсюда следует, что:
[ m_1 \cdot v_1 = - m_2 \cdot v_2 ]
Это уравнение показывает, что импульсы двух осколков равны по величине, но противоположны по направлению, что и объясняет их разлет в противоположные стороны.
Таким образом, благодаря закону сохранения импульса осколки, образовавшиеся при делении ядра атома урана, разлетаются в противоположных направлениях, чтобы суммарный импульс системы оставался неизменным.