ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

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 определенной перестановочной симметрии волновой функции системы тождественных частиц: для частиц с целочисленным спином (бозонов) волновая ф-ция должна быть симметричной, т. е. она не должна меняться при перестановке индексов частиц (координат и проекций спинов), а для частиц с полуцелым спином (фермионов) при такой перестановке волновая ф-ция должна менять знак, т. е. быть антисимметричной (см. Паули принцип). Наличие перестановочной симметрии налагает ограничения на взаимное пространств. расположение частиц, что приводит к изменению энергии квантовой системы по сравнению с аналогичной классич. системой частиц. Это изменение энергии обычно рассматривается как вызванное неким дополнительным квантовомсханическим взаимодействием, оно получило назв. "О. в.", поскольку определяется членами в выражении для энергии системы, отвечающими перестановкам частиц (обмену частицами).

В химию понятие "О. в." было введено в 1927 В. Гайтле-ром и Ф. Лондоном в задаче расчета энергии основного состояния молекулы Н 2. Было показано, что возникновение О. в. является причиной образования ковалентыой хим. связи. Пусть состояние электрона одного атома характеризуется волновой ф-цией jA(r1), электрона другого атома-ф-цией jB(r2). В нулевом приближении, т. е. при пренебрежении взаимод. между электронами, волновая ф-ция системы двух электронов равна произведению j А(r1) jB(r2). Вследствие квантовомех. неразличимости одинаковых частей этой же энергии будет отвечать волновая ф-ция jA(r2)jB(r1), соответствующая обмену электронов между атомами, т. е. имеет место т. наз. обменное вырождение. Ур-нию Шрёдингера будут удовлетворять две линейные комбинации этих ф-ций:

3062-2.jpg

где 3062-3.jpg -интеграл перекрывания электронных волновых ф-ций атомов А и В (см. Молекулярные интегралы). Полная волновая ф-ция системы является антисимметричной относительно перестановок электронов (т. е. меняет знак при таких перестановках) и строится из произведений пространственных (координатных) ф-ций 3062-4.jpg и 3062-5.jpg на соответствующие спиновые ф-ции (спин-ф-ции). Из требования антисимметричности вытекает, что ф-ция 3062-6.jpg отвечает противоположному направлению спинов электронов и полному электронному спину системы S=0 (синглет-ное состояние), ф-ция 3062-7.jpg -параллельно направленным спинам и полному электронному спину S= 1 (триплетное состояние). Энергия взаимод. атомов А и В в этих состояниях (3062-8.jpg и 3062-9.jpg соотв.) вычисляется как среднее значение оператора взаимод. ^ вз:

3062-10.jpg

где

3062-11.jpg

Интеграл Кпредставляет классич. энергию кулоновского взаимод. пространственно распределенных зарядов; интеграл Аназ. о б м е н н ы м и н т е г р а л о м, характеризует энергию О. в. и не имеет классич. аналога. Он появляется вследствие того, что каждый электрон, как это следует из вида волновых ф-ций, с равной вероятностью может находиться как у атома А, так и у атома В. При этом в случае симметричной координатной ф-ции 3062-12.jpg вероятность для электронов расположиться в пространстве между ядрами увеличивается, а в случае антисимметричной ф-ции 3062-13.jpg уменьшается по сравнению с невзаимодействующей системой независимых атомов, т. е. появляются силы, к-рые имеют квантовомех. природу и воздействуют на электроны так, что изменяют вероятность их распределения в пространстве, а следовательно, и энергию взаимодействия. Эти силы и являются причиной возникновения О. в. И хотя полная энергия системы зависит от значения электронного спина, вследствие зависимости перестановочной симметрии координатной волновой ф-ции от полного электронного спина, энергия О. в. не имеет отношения к взаимод. спинов, а является частью электростатич. энергии, к-рая обусловлена квантовой природой электронов.

Обменный интеграл (5) экспоненциально убывает с ростом расстояния между атомами, т. к. зависит от степени перекрывания волновых ф-ций. Поэтому О. в. проявляется лишь при непосредственном сближении атомов. В отличие от электромагнитных и гравитационных сил, являющихся дальнодействующими, квантовые обменные силы относятся к близкодействующим, им присуще св-во насыщения. Энергия дальнодействующего взаимод. системы из Nчастиц пропорциональна числу разл. пар, к-рые можно составить из этих частиц, т. е. N(N Ч1)/23062-14.jpg N2/2 при N>> 1, в то время как энергия О. в. пропорциональна числу ближайших пар-соседей, т. е. она пропорциональна N.

В случае многоэлектронных систем знак энергии О. в. зависит от строения электронной оболочки взаимод. объектов (атомов, молекул). Если взаимод. атомы с незаполненной валентной оболочкой, энергия О. в. отрицательна (атомы притягиваются). Поэтому в согласии с (3) осн. энергетич. состояние большинства молекул синглетно. О. в. является главным стабилизирующим фактором при образовании ко-валентной связи. В случае систем с замкнутыми электронными оболочками энергия О. в. положительна, О. в. приводит к отталкиванию частиц. Именно такая ситуация имеет место при взаимод. инертных атомов или нейтральных молекул (см. Межмолекулярные взаимодействия).

О. в. определяет в значит. степени магн. св-ва в-ва. Так, состояние металлич. кристалла с параллельными спинами электронов (ферромагнитное) м. б. термодинамически более устойчиво, чем состояние с беспорядочно ориентированными спинами электронов, лишь в том случае, если обменный интеграл Аположителен. Характерная для ферромагнетика точка Кюри (т-ра, выше к-рой у в-ва исчезают ферро-магн. св-ва) м. б. определена как т-ра, при к-рой энергия теплового движения атомов становится равной термодина-мич. выигрышу в энергии при параллельной ориентации спинов.

Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Давыдов А. С., Квантовая механика, 2 изд., М., 1973. И. Г. Каплан.


Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.

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 одинаковых, тождественных, частиц, эффективно проявляющееся как результат некоторого особого взаимодействия. О. в. чисто квантовомеханический эффект, не имеющий аналога в классической физике (см. Квантовая… …   Большая советская энциклопедия

  • 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. 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



Поделиться ссылкой на выделенное

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