Обменное взаимодействие это:

Обменное взаимодействие
        специфическое взаимное влияние одинаковых, тождественных, частиц, эффективно проявляющееся как результат некоторого особого взаимодействия. О. в. — чисто квантовомеханический эффект, не имеющий аналога в классической физике (см. Квантовая механика). Вследствие квантовомеханического принципа неразличимости одинаковых частиц (Тождественности принципа) Волновая функция системы должна обладать определенной симметрией относительно перестановки двух одинаковых частиц, т. е. их координат и Спинов: для частиц с целым спином Бозонов — волновая функция системы не меняется при такой перестановке (является симметричной), а для частиц с полуцелым спином — Фермионов — меняет знак (является антисимметричной). Если силы взаимодействия между частицами не зависят от их спинов, волновую функцию системы можно представить в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от координат частиц, а другая — только от их спинов. В этом случае из принципа тождественности следует, что координатная часть волновой функции, описывающая движение частиц в пространстве, должна обладать определённой симметрией относительно перестановки координат одинаковых частиц, зависящей от симметрии спиновой функции. Наличие такой симметрии означает, что имеет место определённая согласованность, корреляция, движения одинаковых частиц, которая сказывается на энергии системы (даже в отсутствие каких-либо силовых взаимодействий между частицами). Поскольку обычно влияние частиц друг на друга является результатом действия между ними каких-либо сил, о взаимном влиянии одинаковых частиц, вытекающем из принципа тождественности, говорят как о проявлении специфического взаимодействия — О. в. Возникновение О. в. можно проиллюстрировать на примере атома гелия (впервые это было сделано В. Гейзенбергом в 1926). Спиновые взаимодействия в лёгких атомах малы, поэтому волновая функция Ψ двух электронов в атоме гелия может быть представлена в виде:
         Ψ = Ф (r1, r2)χ(s1, s2), (1)
        где Ф (r1, r2) функция от координат r1, r2 электронов, а χ(s1, s2) — от проекции их спинов s1, s2 на некоторое направление. Т. к. электроны являются фермионами, полная волновая функция ψ должна быть антисимметричной. Если суммарный спин 5 обоих электронов равен нулю (спины антипараллельны — парагелий), то спиновая функция c антисимметрична относительно перестановки спиновых переменных и, следовательно, координатная функция Ф должна быть симметрична относительно перестановки координат электронов. Если же полный спин системы равен 1 (спины параллельны — ортогелий), то спиновая функция симметрична, а координатная — антисимметрична. Обозначая через ψп (r1), ψп' (r2) волновые функции отдельных электронов в атоме гелия (индексы n, n' означают набор квантовых чисел, определяющих состояние электрона в атоме), можно, пренебрегая сначала взаимодействием между электронами, записать координатную часть волновой функции в виде:
         для случая S = 1, (2)
         для случая S = 1, (2)
         для случая S = 0 (2')
         для случая S = 0 (2')
        (множитель а ср. расстояние между электронами оказывается бо́льшим, чем в состоянии с симметричной функцией ФS; это видно из того, что вероятность |Ψ|2 = |Фа|2 S|2 нахождения электронов в одной и той же точке r1 = r2 для состояния Фа равна нулю. Поэтому средняя энергия кулоновского взаимодействия (отталкивания) двух электронов оказывается в состоянии Фа меньшей, чем в состоянии ФS. Поправка к энергии системы, связанная с взаимодействием электронов, определяется по теории возмущении и равна:
         ЕВ3 = К ± А, (3)
        где знаки ± относятся соответственно к симметричному ФS и антисимметричному Фа координатным состояниям,
        
        
        (dt = dxdydz — элемент объёма). Величина К имеет вполне наглядный классический смысл и соответствует электростатическому взаимодействию двух заряженных «облаков» с плотностями заряда еn (r1)(2 и еn'(r2)(2. Величину А, называется обменным интегралом, можно интерпретировать как электростатическое взаимодействие заряженных «облаков» с плотностями заряда еψn*(r1n'(r1) и еψn'*(r1n'(r2) ψn (r2), т. е. когда каждый из электронов находится одновременно в состояниях ψn и ψn' (что бессмысленно с точки зрения классической физики). Из (3) следует, что полная энергия пара- и ортогелия с электронами в аналогичных состояниях отличается на величину 2А. Т. о., хотя непосредственно спиновое взаимодействие мало и не учитывается, тождественность двух электронов в атоме гелия приводит к тому, что энергия системы оказывается зависящей от полного спина системы, как если бы между частицами существовало дополнительное, обменное, взаимодействие. Очевидно, что О. в. в данном случае является частью кулоновского взаимодействия электронов и явным образом выступает при приближённом рассмотрении квантовомеханической системы, когда волновая функция всей системы выражается через волновые функции отдельных частиц (в частности, в приближении Хартри — Фока; см. Самосогласованное поле (См. Самосогласванное поле)).
         О. в. эффективно проявляется, когда «перекрываются» волновые функции отдельных частиц системы, т. е. когда существуют области пространства, в которых с заметной вероятностью может находиться частица в различных состояниях движения. Это видно из выражения для обменного интеграла А: если степень перекрытия состояний ψn*(r) и ψn'(r) незначительна, то величина А очень мала.
         Из принципа тождественности следует, что О. в. возникает в системе одинаковых частиц даже в случае, если прямыми силовыми взаимодействиями частиц можно пренебречь, т. е. в идеальном газе тождественных частиц. Эффективно оно начинает проявляться, когда среднее расстояние между частицами становится сравнимым (или меньшим) длины Волны де Бройля, соответствующей средней скорости частиц. При этом характер О. в. различен для фермионов и для бозонов. Для фермионов О. в. является следствием Паули принципа, препятствующего сближению тождественных частиц с одинаковым направлением спинов, и эффективно проявляется как отталкивание их друг от друга на расстояниях порядка или меньше длины волны де Бройля; отличие от нуля энергии вырожденного газа (См. Вырожденный газ) фермионов (ферми-газа) целиком обусловлено таким О. в. В системе тождественных бозонов О. в., напротив, имеет характер взаимного притяжения частиц. В этих случаях рассмотрение систем, состоящих из большого числа одинаковых частиц, производится на основе квантовой статистики (Ферми — Дирака статистики (См. Ферми - Дирака статистика) для фермионов и Бозе — Эйнштейна статистики (См. Бозе - Эйнштейна статистика) для бозонов).
         Если взаимодействующие тождественные частицы находятся во внешнем поле, например в кулоновском поле ядра, то существование определённой симметрии волновой функции и соответственно определённой корреляции движения частиц влияет на их энергию в этом поле, что также является семенным эффектом. Обычно (в атоме, молекуле, кристалле) это О. в. вносит вклад обратного знака по сравнению с вкладом О. в. частиц друг с другом. Поэтому суммарный обменный эффект может как понижать, так и повышать полную энергию взаимодействия в системе. Энергетическая выгодность или невыгодность состояния с параллельными спинами фермионов, в частности электронов, зависит от относительных величин этих вкладов. Так, в ферромагнетике (аналогично рассмотренному атому гелия) более низкой энергией обладает состояние, в котором спины электронов в незаполненных оболочках соседних атомов параллельны; в этом случае благодаря О. в. возникает спонтанная намагниченность (см. Ферромагнетизм). Напротив, в молекулах с ковалентной химической связью (См. Химическая связь), например в молекуле Н2, энергетически выгодно состояние, в котором спины валентных электронов соединяющихся атомов антипараллельны.
         О. в. объясняет, т. о., закономерности атомной и молекулярной спектроскопии, химическую связь в молекулах, ферромагнетизм (и антиферромагнетизм), а также др. специфические явления в системах одинаковых частиц.
         Термином «О. в.» обозначают также силы взаимодействия, не обусловленные тождественностью частиц, но приводящие к «обмену» между частицами некоторыми их характеристиками. Так, среди различных типов ядерных сил имеются силы, благодаря которым нуклоны (протоны и нейтроны) ядра «обмениваются» координатами, направлениями спинов, электрическими зарядами (т. н. обменные силы). Такие силы возникают вследствие того, что нуклоны могут обмениваться различного типа мезонами, переносящими заряд, спин и др. квантовые характеристики от одного нуклона к другому. Подробнее см. Ядерные силы.
         Лит.: Блохинцев Д. И., Основы квантовой механики, 3 изд., М., 1961; Гамбош П., Статистическая теория атома и её применения, пер. с нем., М., 1951; Вонсовский С. В., Шур Я. С., Ферромагнетизм, М. — Л., 1948; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958.
         Д. А. Киржниц, С. С. Герштейн.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Смотреть что такое "Обменное взаимодействие" в других словарях:

  • Обменное взаимодействие — Обменное взаимодействие  взаимодействие тождественных частиц в квантовой механике, приводящее к зависимости значения энергии системы частиц от её полного спина. Представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к… …   Википедия

  • ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — специфич. взаимное влияние тождественных частиц, эффективно проявляющееся как результат нек рого особого вз ствия. О. в. чисто квантовомеханич. эффект, не имеющий аналога в классич. физике (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Вследствие квантовомеханич.… …   Физическая энциклопедия

  • ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — специфическое взаимное влияние тождественных частиц, эффективно проявляющееся как результат некоторого особого взаимодействия; чисто квантовый эффект, отражающий свойства симметрии системы тождественных частиц относительно перестановки пары таких …   Большой Энциклопедический словарь

  • обменное взаимодействие — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN exchange interaction …   Справочник технического переводчика

  • обменное взаимодействие — специфическое взаимное влияние тождественных частиц, эффективно проявляющееся как результат некоторого особого взаимодействия; чисто квантовый эффект, отражающий свойства симметрии системы тождественных частиц относительно перестановки пары таких …   Энциклопедический словарь

  • ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — – специфическое взаимное влияние тождественных частиц, эффективно проявляющееся как результат некоторого особого взаимодействия, чисто квантово механический эффект. Обменное взаимодействие объясняет явление магнитного упорядочения и другие… …   Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

  • обменное взаимодействие — pakaitinė sąveika statusas T sritis chemija apibrėžtis Atomų sąveika, dėl kurios atsiranda pakaitinės jėgos. atitikmenys: angl. exchange interaction rus. обменное взаимодействие …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • обменное взаимодействие — pakaitinė sąveika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. exchange interaction vok. Austauschwechselwirkung, f rus. обменное взаимодействие, n pranc. interaction d’échange, f …   Fizikos terminų žodynas

  • ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — специфич. квантово мех. взаимодействие тождественных частиц, в частности электронов. Является следствием принципа неразличимости частиц в квантовой механике и не имеет аналога в классич. физике. Суть принципа неразличимости сводится к требованию… …   Химическая энциклопедия

  • ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ — специфич. взаимное влияние тождеств. частиц, эффективно проявляющееся как результат нек рого особого взаимодействия; чисто квантовый эффект, отражающий свойства симметрии системы тождеств. частиц относительно перестановки пары таких частиц. О. в …   Естествознание. Энциклопедический словарь

Книги

Другие книги по запросу «Обменное взаимодействие» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»