交換相互作用

こうかんそうごさよう

区別のつかない電子どうしは入れ替えても見分けがつかない、という量子力学の性質から生まれる、古典物理には無い効果。化学結合や磁石のもとになる。

量子力学では電子に名札は付いておらず、2個の電子を入れ替えても区別がつきません。1926年、ハイゼンベルクはこの性質を使って、ヘリウムの出す光の線が二つのグループに分かれる理由を説明しました^[1]。同じ年、ディラックも同じ考えにたどり着いています。

1927年、ハイトラーとロンドンは、水素分子で2個の電子の入れ替わりを含めて計算すると、スピンの向きによって原子どうしが引き合ったり押し返し合ったりすることを示しました^[2]。この効果の大きさを表す積分が交換積分で、同じ年に杉浦義勝が原子核どうしの距離ごとに計算しています。

1928年、ハイゼンベルクは同じ効果で、鉄などの中で電子のスピンがそろい、物全体が磁石になる理由を説明しました^[3]。働いている電気の力そのものは古典物理と同じでも、電子が区別できないという量子の性質が加わることで、まったく新しい効果が生まれるのです。