Обменное взаимодействие

Обменное взаимодействие

Обменное взаимодействие

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 Y двух электронов в атоме гелия может быть представлена в виде:

Y = Ф (r1, r2)c(s1, s2), (1)

где Ф (r1, r2) функция от координат r1, r2 электронов, а c(s1, s2) — от проекции их спинов s1, s2 на некоторое направление. Т. к. электроны являются фермионами, полная волновая функция y 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 yп (r1), yп' (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 = 0 (2')

(множитель  введён для нормировки волновой функции). В состоянии с антисимметричной координатной функцией Фа ср.

расстояние между электронами оказывается большим, чем в состоянии с симметричной функцией ФS; это видно из того, что вероятность |Y|2 = |Фа|2 |cS|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,

 (4)

(dt = dxdydz — элемент объёма). Величина К имеет вполне наглядный классический смысл и соответствует электростатическому взаимодействию двух заряженных «облаков» с плотностями заряда еçyn (r1)ç2 и еçyn¢(r2)ç2.

Величину А, называется обменным интегралом, можно интерпретировать как электростатическое взаимодействие заряженных «облаков» с плотностями заряда еyn*(r1)yn¢(r1) и еyn¢*(r1)yn¢(r2) yn (r2), т. е.

когда каждый из электронов находится одновременно в состояниях yn и yn¢ (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).

  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 yn*(r) и yn¢(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 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 для фермионов и Бозе — Эйнштейна статистики 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, 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.

Оглавление БСЭ

Источник: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/083/120.htm

ОБМЕ́ННОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ

Обменное взаимодействие

Авторы: С. С. Герштейн, В. Ю. Ирхин (В магнетизме)

ОБМЕ́ННОЕ ВЗАИМОДЕ́ЙСТВИЕ, кван­то­во­ме­ха­нич. эф­фект, за­клю­чаю­щий­ся во вза­им­ном влия­нии оди­на­ко­вых (то­ж­де­ст­вен­ных) час­тиц. Вслед­ст­вие кван­то­во­ме­ха­нич. прин­ци­па не­раз­ли­чи­мо­сти оди­на­ко­вых час­тиц (см.

То­ж­де­ст­вен­но­сти прин­цип) вол­но­вая функ­ция сис­те­мы долж­на об­ла­дать оп­ре­де­лён­ной сим­мет­ри­ей от­но­си­тель­но пе­ре­ста­нов­ки (об­ме­на) лю­бых двух та­ких час­тиц, т. е. пе­реста­нов­ки их ко­ор­ди­нат и про­ек­ций спи­нов.

Для час­тиц с це­лым спи­ном – бо­зо­нов – она не ме­ня­ет­ся при 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 час­ти вол­но­вой функ­ции.

На­ли­чие та­кой сим­мет­рии оз­на­ча­ет, что име­ет ме­сто оп­ре­де­лён­ная со­гла­со­ван­ность (кор­ре­ля­ция) дви­же­ния оди­на­ко­вых час­тиц, ко­то­рая ска­зы­ва­ет­ся на энер­гии сис­те­мы (да­же в от­сут­ст­вие си­ло­вых взаи­мо­дей­ст­вий ме­ж­ду час­ти­ца­ми). По­сколь­ку обыч­но влия­ние час­тиц друг на дру­га яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­том дей­ст­вия ме­ж­ду ни­ми к.-л. сил, о вза­им­ном влия­нии оди­на­ко­вых час­тиц, вы­те­каю­щем из прин­ци­па то­ж­де­ст­вен­но­сти, го­во­рят как о про­яв­ле­нии спе­ци­фич. взаи­мо­дей­ст­вия – об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия.

О. в. мож­но рас­смот­реть на при­ме­ре ато­ма ге­лия. Спи­но­вые взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­нов в лёг­ких ато­мах ма­лы, по­это­му вол­но­вая функ­ция двух элек­тро­нов в ато­ме ге­лия мо­жет быть пред­став­ле­на в ви­де про­из­ве­де­ния функ­ции Φ, за­ви­ся­щей от их ко­ор­ди­нат, на функ­цию χ, за­ви­ся­щую от про­ек­ции их спи­нов. Т. к.

элек­тро­ны яв­ля­ют­ся фер­мио­на­ми, пол­ная вол­но­вая функ­ция долж­на быть ан­ти­сим­мет­рич­ной. По­это­му ес­ли сум­мар­ный спин элек­тро­нов ра­вен еди­ни­це, S=1 (спи­ны па­рал­лель­ны – ор­то­ге­лий), т. е.

спи­но­вая функ­ция χ сим­мет­рич­на от­но­си­тель­но пе­ре­ста­нов­ки спи­нов элек­тро­нов, то ко­ор­ди­нат­ная функ­ция Φ долж­на быть ан­ти­сим­мет­рич­ной от­но­си­тель­но пе­ре­ста­нов­ки их ко­ор­ди­нат. Ес­ли же сум­мар­ный спин элек­тро­нов ра­вен ну­лю, S=0 (па­ра­ге­лий), т. е. χ ан­ти­сим­мет­рич­на, то Φ – сим­мет­рич­на.

В пер­вом слу­чае ко­ор­ди­нат­ная функ­ция об­ра­ща­ет­ся в нуль, ко­гда ко­ор­ди­на­ты двух элек­тро­нов сов­па­да­ют, по­это­му ве­ро­ят­ность на­хо­ж­де­ния элек­тро­нов на ма­лых рас­стоя­ни­ях друг от дру­га ма­ла. Это умень­ша­ет энер­гию ку­ло­нов­ско­го от­тал­ки­ва­ния элек­тро­нов в со­стоя­нии S=1 и, сле­до­ва­тель­но, энер­гию воз­бу­ж­дён­но­го ато­ма ге­лия.

В про­ти­во­по­лож­ном слу­чае (S=0) ве­ро­ят­ность на­хо­ж­де­ния элек­тро­нов на близ­ких рас­стоя­ни­ях уве­ли­чи­ва­ет­ся бла­го­да­ря об­мен­ной сим­мет­рии ко­ор­ди­нат­ной функ­ции и ку­ло­нов­ская энер­гия от­тал­ки­ва­ния элек­тро­нов ста­но­вит­ся боль­ше, чем она бы­ла бы для клас­сич. не­кор­ре­ли­ро­ван­но­го дви­же­ния оди­на­ко­вых час­тиц.

Со­от­вет­ст­вую­щее умень­ше­ние (или уве­ли­че­ние) ку­ло­нов­ской энер­гии взаи­мо­дей­ст­вия, свя­зан­ное с сим­мет­ри­ей вол­но­вой функ­ции от­но­си­тель­но пе­ре­ста­нов­ки ко­ор­ди­нат оди­на­ко­вых час­тиц, и от­но­сят к об­мен­но­му взаи­мо­дей­ст­вию.

Т. о., хо­тя не­по­сред­ст­вен­но спи­но­вое взаи­мо­дей­ст­вие малó 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 до­пол­нит.

взаи­мо­дей­ст­вие. Оче­вид­но, что О. в. яв­ля­ет­ся ча­стью ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­нов и непосредственным об­ра­зом вы­сту­па­ет при при­бли­жён­ном рас­смот­ре­нии кван­то­во­ме­ха­нич. сис­те­мы, ко­гда вол­но­вая функ­ция всей сис­те­мы вы­ра­жа­ет­ся че­рез вол­но­вые функ­ции отд. час­тиц.

О. в. эф­фек­тив­но про­яв­ля­ет­ся в тех слу­ча­ях, ко­гда «пе­ре­кры­ва­ют­ся» вол­но­вые функ­ции отд. час­тиц сис­те­мы, т. е. ко­гда су­ще­ст­ву­ют об­лас­ти про­стран­ст­ва, в ко­то­рых не­воз­мож­но раз­ли­чить оди­на­ко­вые час­ти­цы. Ес­ли сте­пень пе­ре­кры­тия со­стоя­ний не­зна­чи­тель­на, то О. в.

очень малó.

На­ли­чие О. в. объ­яс­ня­ет су­ще­ст­во­ва­ние в ге­лии двух сис­тем спек­траль­ных ли­ний с не­зна­чи­тель­но раз­ли­чаю­щи­ми­ся дли­на­ми волн. Од­на из них от­ве­ча­ет пе­ре­хо­дам в ор­то­ге­лии (S=1), дру­гая – в па­ра­ге­лии (S=0), энер­гии воз­бу­ж­дён­ных уров­ней в ко­то­рых раз­ли­ча­ют­ся бла­го­да­ря О. в., а пе­ре­хо­ды с из­ме­не­ни­ем спи­на по­дав­ле­ны.

Это объ­яс­не­ние да­но В. Гей­зен­бер­гом в 1926 на ос­но­ве кван­то­вой ме­ха­ни­ки. Так как в со­стоя­нии с па­рал­лель­ны­ми спи­на­ми (S=1) двух элек­тро­нов из раз­ных обо­ло­чек ато­ма энер­гия сис­те­мы бла­го­да­ря О. в. ока­зы­ва­ет­ся бо­лее низ­кой, воз­мож­но вы­страи­ва­ние спи­нов атом­ных элек­тро­нов, т. е. спон­тан­ное на­маг­ни­чи­ва­ние фер­ро­маг­не­ти­ков.

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 О. в. на­чи­на­ет про­яв­лять­ся, ко­гда ср.

рас­стоя­ние ме­ж­ду час­ти­ца­ми ста­но­вит­ся по по­ряд­ку ве­ли­чи­ны рав­ным или мень­шим дли­ны вол­ны де Брой­ля, от­ве­чаю­щей ср. ско­ро­сти час­ти­цы, т. к. в этом слу­чае оди­на­ко­вые час­ти­цы ока­зы­ва­ют­ся пол­но­стью не­раз­ли­чи­мы­ми в про­стран­ст­ве.

Кри­те­ри­ем та­ко­го вы­ро­ж­де­ния служит не­ра­вен­ст­во: kТ⩽ℏ2n2/3m–1, где Т – темп-ра сре­ды, n – её плот­ность, m – мас­са час­ти­цы, k и ℏ – со­от­вет­ст­вен­но по­сто­ян­ные Больц­ма­на и План­ка.

Ха­рак­тер О. в. раз­ли­чен для фер­мио­нов и 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 близ­ких рас­стоя­ни­ях.

Для силь­но сжа­то­го ве­ще­ст­ва, ко­гда рас­стоя­ние ме­ж­ду элек­тро­на­ми мень­ше раз­ме­ров ато­мов, от­тал­ки­ва­ние элек­тро­нов бла­го­да­ря О. в. обу­слов­ли­ва­ет осн. вклад в дав­ле­ние при низ­ких темп-рах, удов­ле­тво­ряю­щих ус­ло­вию вы­ро­ж­де­ния. Та­кие ус­ло­вия осу­ще­ст­в­ля­ют­ся в звёз­дах ти­па бе­лых кар­ли­ков.

Ана­ло­гич­ным об­ра­зом от­тал­ки­ва­ние ней­тро­нов урав­но­ве­ши­ва­ет гра­ви­тац. си­лы сжа­тия в ней­трон­ных звёз­дах с мас­са­ми, мень­ши­ми 3 масс Солн­ца. В сис­те­мах то­ж­де­ст­вен­ных бо­зо­нов О. в., на­про­тив, име­ет ха­рак­тер вза­им­но­го при­тя­же­ния час­тиц и обу­слов­ли­ва­ет, напр.

, та­кие яв­ле­ния, как Бо­зе – Эйн­штей­на кон­ден­са­ция.

Ес­ли взаи­мо­дей­ст­вую­щие то­ж­де­ст­вен­ные час­ти­цы на­хо­дят­ся во внеш­нем по­ле, напр.

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 об­мен­ным эф­фек­том. Обыч­но (в ато­ме, мо­ле­ку­ле, кри­стал­ле) это О. в.

вно­сит вклад с об­рат­ным зна­ком 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. Энер­ге­тич.

вы­год­ность или не­вы­год­ность со­стоя­ния с па­рал­лель­ны­ми спи­на­ми фер­мио­нов (в ча­ст­но­сти, элек­тро­нов) за­ви­сит от от­но­сит. ве­ли­чи­ны этих вкла­дов.

Так, в фер­ро­маг­не­ти­ке (ана­ло­гич­но рас­смот­рен­но­му ато­му ге­лия) бо­лее низ­кой энер­ги­ей об­ла­да­ет со­стоя­ние, в ко­то­ром спи­ны (и маг­нит­ные мо­мен­ты) элек­тро­нов в не­за­пол­нен­ных обо­лоч­ках со­сед­них ато­мов па­рал­лель­ны; в этом слу­чае бла­го­да­ря О. в.

воз­ни­ка­ет спон­тан­ная на­маг­ни­чен­ность (см. Фер­ро­маг­не­тизм). На­про­тив, в мо­ле­ку­лах с ко­ва­лент­ной хи­мич. свя­зью (напр., в мо­ле­ку­ле Н2) энер­ге­ти­че­ски вы­год­но со­стоя­ние, в ко­то­ром спи­ны ва­лент­ных элек­тро­нов со­еди­няю­щих­ся ато­мов ан­ти­па­рал­лель­ны, т. к. в этом слу­чае уве­ли­че­ние плот­но­сти от­ри­ца­тель­но­го элек­трич. за­ря­да ме­ж­ду дву­мя про­то­на­ми ком­пен­си­ру­ет их ку­ло­нов­ское от­тал­ки­ва­ние и обес­пе­чи­ва­ет воз­ник­но­ве­ние свя­зан­но­го со­стоя­ния.

О. в. объ­яс­ня­ет за­ко­но­мер­но­сти атом­ной и мо­ле­ку­ляр­ной спек­тро­ско­пии, хи­мич. связь в мо­ле­ку­лах, фер­ро- и ан­ти­фер­ро­маг­не­тизм, а так­же др. спе­ци­фич. яв­ле­ния в сис­те­мах оди­на­ко­вых час­тиц.

В магнетизме

О. в. обу­слов­ле­но кван­то­во­ме­ха­нич. свя­зью ме­ж­ду маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми атом­ных ядер, ато­мов, мо­ле­кул га­зов и кон­ден­си­ров. сред. Маг­нит­ное ди­поль-ди­поль­ное взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми ато­мов в со­сед­них уз­лах кри­стал­лич.

ре­шёт­ки с па­ра­мет­ром a име­ет ма­лую энер­гию, рав­ную μБ2/a3 (μБ – маг­не­тон Бо­ра) и со­от­вет­ст­вую­щую темп-рам по­ряд­ка 10–1 К. Од­на­ко пе­ре­ход­ные ме­тал­лы груп­пы же­ле­за и мн. их со­еди­не­ния об­ла­да­ют вы­со­ки­ми зна­че­ния­ми темп-ры маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния; их Кю­ри точ­ки по­ряд­ка 100–1000 К.

Та­кое силь­ное взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду маг­нит­ны­ми мо­мен­та­ми не объ­яс­ня­ет­ся с по­зи­ций клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки и тре­бу­ет кван­то­во­ме­ха­нич. под­хо­да.

В от­ли­чие от маг­нит­но­го взаи­мо­дей­ст­вия, О. в. име­ет элек­тро­ста­тич. при­ро­ду и зна­чи­тель­но бо́льшую ве­ли­чи­ну. Раз­ли­ча­ют пря­мое и кос­вен­ное О. в. Пря­мое О. в.

осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в слу­чае пе­ре­кры­тия вол­но­вых функ­ций элек­тро­нов со­сед­них маг­нит­ных ато­мов и силь­но за­ви­сит от фак­то­ра их пе­ре­кры­тия.

Кос­вен­ное об­мен­ное взаи­мо­дей­ст­вие воз­ни­ка­ет ме­ж­ду уда­лён­ны­ми маг­нит­ны­ми ато­ма­ми и осу­ще­ст­в­ля­ет­ся че­рез не­маг­нит­ные ио­ны в маг­нит­ных ди­элек­три­ках, не­маг­нит­ные ио­ны и элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках и че­рез элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти в ме­тал­лах.

Оно свя­за­но с ки­не­тич. энер­ги­ей элек­тро­нов (т. е. пе­ре­ско­ка­ми элек­тро­нов с уз­ла на узел), и вы­иг­рыш в ки­не­тич. энер­гии дос­ти­га­ет­ся при ан­ти­па­рал­лель­ной ори­ен­та­ции спи­нов элек­тро­нов, что при­во­дит к ан­ти­фер­ро­маг­нит­но­му взаи­мо­дей­ст­вию.

На ре­аль­ных меж­атом­ных рас­стоя­ни­ях кос­вен­ное О. в., как пра­ви­ло, пре­об­ла­да­ет над пря­мым. Т. о., мо­дель ло­ка­ли­зо­ван­ных спи­нов не объ­яс­ня­ет фер­ро­маг­не­тизм ме­тал­лов груп­пы же­ле­за; он свя­зан с О. в. кол­лек­ти­ви­зи­ро­ван­ных элек­тро­нов. О. в.

ме­ж­ду кол­лек­ти­ви­зи­ро­ван­ны­ми и ло­ка­ли­зо­ван­ны­ми со­стоя­ния­ми (s–d- или s–f-об­мен) иг­ра­ет важ­ную роль в пе­ре­ход­ных и осо­бен­но в ред­ко­зе­мель­ных ме­тал­лах и их со­еди­не­ни­ях; в ча­ст­но­сти, оно от­вет­ст­вен­но за Кон­до эф­фект. В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев ре­аль­ные ме­ха­низ­мы О. в. слож­ны и долж­ны рас­смат­ри­вать­ся кон­крет­но для дан­но­го ве­ще­ст­ва. 

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/2282847

Booksm
Добавить комментарий