scàmbio (fisica)

in fisica atomica è detta forza di scambio una rappresentazione del legame di tipo omopolare fra atomi di una molecola (per esempio il legame di 2 atomi di idrogeno nella molecola H₂); fisicamente corrisponde a un processo continuo di scambio di elettroni fra un atomo e l'altro della molecola. In analogia con il caso precedente è stata fatta l'ipotesi che anche le forze fra nucleoni siano rappresentabili matematicamente in termini di operatori di scambio delle coordinate di coppie di nucleoni nell'equazione d'onda che descrive lo stato dinamico del nucleo. Questa ipotesi è giustificata dal fatto che l'esistenza di forze di scambio dà ragione del processo di saturazione dei legami nucleonici. § In fisica nucleare, scambio di carica o coniugazione di carica, operazione che trasforma particelle in antiparticelle e viceversa: per esempio, trasforma elettroni in positroni e viceversa. Dal momento che non sempre l'operazione di conversione particella-antiparticella coinvolge un cambiamento del segno della carica (come nel caso neutrone-antineutrone), sarebbe più corretto parlare semplicemente di scambio o coniugazione particella-antiparticella. Lo scambio di carica cambia la natura della particella, ma lascia invariata la sua quantità di moto, il suo momento angolare e la sua posizione. Un'interazione fra particelle (o un decadimento) è invariante per scambio di carica se, applicata quest'ultima operazione alle particelle coinvolte, si ottiene una nuova interazione possibile. Fra le interazioni fondamentali, le interazioni deboli non sono invarianti rispetto allo scambio di carica. Energia di scambio, con questo termine si intende la differenza di energia, in un sistema composto da due o più particelle di tipo fermionico, tra lo stato in cui le particelle hanno gli spin allineati e paralleli e quello in cui li hanno allineati ma antiparalleli. "La figura 1 è a pag. 419 del 19° volume." Per una certa distanza tra due fermioni la curva a, corrispondente al caso di spin paralleli, si riferisce a un'energia di scambio positiva (repulsione), la curva b (spin antiparalleli) a un'energia di scambio negativa (attrazione). L'energia di scambio non ha analogia classica perché la sua natura è puramente quantistica, dato che deriva dal principio di esclusione enunciato da W. Pauli, il quale afferma che, in un sistema composto da più fermioni, la situazione più favorevole dal punto di vista energetico si ottiene quando i fermioni hanno gli spin antiparalleli. La forma matematica di quest'energia è data dalla seguente formula:

E = -2 J S_i S_j

dove J è il cosidetto “integrale di scambio” legato alla distribuzione spaziale della carica elettrica, e S_i e S_j sono i momenti angolari di spin dei due fermioni. Esistono vari tipi "La figura 2 è a pag. 420 del 19° volume." di energia di scambio: a) energia di scambio diretta, si tratta del meccanismo descritto sopra, i due fermioni si dispongono come se vi fosse un accoppiamento diretto tra i loro spin; b) energia di superscambio nel caso in cui l'interazione tra gli spin dei due fermioni avvenga attraverso gli elettroni di una particella non magnetica che li separa; c) energia di scambio indiretta quando in alcuni atomi metallici (per esempio le terre rare), la presenza di gusci elettronici non completi fa sì che oltre all'interazione di scambio diretta si abbia anche una interazione di scambio tra gli elettroni più esterni dell'atomo e quelli di conduzione. Questo tipo d'interazione viene detta interazione di scambio indiretta ed è l'equivalente, per i metalli, di quella di superscambio tipica degli isolanti.