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土壤中阳离子的交换作用

简介

这个相互作用是量子力学效应：假定两个具有不成对电子的原子相互靠近。如果这两个原子的自旋相互反平行，则它们将共享一个共同的轨道，这样就增加了静电库伦能，然而，若二者的自旋平行，则根据泡利不相容原理，二者将形成分开的轨道，即减少了库仑相互作用！

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全同微观多粒子系统里粒子间的一种等效相互作用。它反映了全同粒子的不可分辨性，纯属量子效应，没有与之对应的经典概念。

一个N(＞1)粒子所构成的量子系统，其状态以波函数ψ(x1,x2,…,xN,t)描述，xi为粒子i的坐标，包括空间坐标和自旋坐标；还可能包括其他坐标，如核子的同位旋等。按照量子力学理论，全同粒子系统的波函数是薛定谔方程 (1)在必要的边界条件、初始条件和统计对称性条件 (2)限制下的解。哈密顿算符彑由各粒子的动能、 在外场中的位能和各粒子间的相互作用能构成。这些能量项都具有经典解释，这种相互作用称为“普通相互作用”。式(2)表明，交换任一对粒子i和j时,波函数或者完全不变（玻色子系统），或者仅改变符号（费密子系统）。可见，在全同粒子系统中，各个粒子的运动是互相关联的，不能对每个粒子做单独的描述，只能做整体的描述，即粒子间存在着一种相互作用。这种与全同粒子不可分辨性等效的粒子间相互作用，就称为交换作用。

当采用哈特里－福克近似法求解薛定谔方程时，交换作用显示得非常直观。以费密子系统为例，其定态哈特里－福克近似波函数为 (3)如果粒子i的动能与在外场中的位能之和为彑0(xi)，粒子对i、j间的相互作用能为憕(xi,xj),则系统在状态(3)下的平均能量为 (4)式中 倘若把式(3)形式地理解为粒子i处于═i(xi)(i=1,2,…，N)的状态，则 就可视为粒子i的动能与在外场中位能之和的平均值,Cij为粒子对i、j间相互作用能的平均值,然而Aij却没有经典的对应量。根据交换作用的定义，它就应当是粒子对i、j间的交换能。

对于一般情形，采用二次量子化表象 (8)也可将交换作用表述为粒子间相互作用的形式，此时不仅有二体交换作还有三体和四体交换作用。式中a抜和ai分别为粒子i的产生算符和消灭算符。

交换作用虽然是一种等效的粒子间相互作用，却为全同粒子不可分辨性所导致的粒子间的关联效应描绘出一幅直观的物理图像，因而是一个很有用的概念。据此，多电子原子和分子的光谱，分子和化合物的化学键，固态物质中的电子特征及序磁性，都可以得到很清晰的描述和解释。

对于非全同性粒子系统，也可用交换作用描述因交换各种介子或虚粒子而出现的种种“力”，如原子核中的某些核力等

土壤中阳离子的交换作用

土壤阳离子交换量是随着土壤在风化过程中形成，一些矿物和有机质被分解成极细小的颗粒。化学变化使得这些颗粒进一步缩小，肉眼便看不见。这些最细小的颗粒叫做“胶体”。每一胶体带净负电荷。电荷是在其形成过程中产生的。它能够吸引保持带正电的颗粒 ，就像磁铁不同的两极相互吸引一样。阳离子是带正电荷的养分离子，如钙（Ca)、镁（Mg)、钾（K)、钠（Na)、氢（H)和铵(NH4)。粘粒是土壤带负电荷的组份。这些带负电的颗粒（粘粒）吸引、保持并释放带正电的养分颗粒（阳离子） 。有机质颗粒也带有负电荷，吸引带正电荷的阳离子。砂粒不起作用。

阳离子交换量（CEC)是指土壤保持和交换阳离子的能力，也有人将它称之为土壤的保肥能力。