Techniklexikon

Austausch

1) in der Quantenmechanik von Vielteilchensystemen ein auf Heisenberg (1926) zurückgehender Begriff, der von ihm im Zusammenhang mit der Beschreibung des Termschemas des Heliumatoms (Austauschentartung) eingeführt wurde. Heisenbergs Überlegungen können nach heutigem Verständnis in der folgenden Weise wiedergegeben werden. Die quasiklassische Beschreibung eines Systems von identischen, quantenmechanischen Teilchen, beispielsweise von Elektronen, ist zunächst mit der Zuordnung zu bestimmten Orbitalen (Hartree-Näherung) oder zu bestimmten Raumgebieten (z.B. zu bestimmten Atomen im Molekül) verbunden, wodurch die Elektronen im Prinzip unterscheidbar werden. Der Ununterscheidbarkeit wird im Rahmen der Hartree-Fock-Näherung dadurch Rechnung getragen, dass alle Elektronen von allen Orbitalen Gebrauch machen können. Die sich daraus ergebende Darstellung der Wellenfunktion als Slater-Determinante liefert einen zusätzlichen, "nichtklassischen" Beitrag zur Gesamtenergie (Austauschintegral), der zu einer Energieerniedrigung führt und als Austauschenergie bezeichnet wird. Die Austauschenergie korrespondiert also nicht zu einer physikalischen Wechselwirkung, wie Bezeichnungen als "Austausch-Wechselwirkung" oder "Austauschkraft" suggerieren, weil sie lediglich den Unterschied zwischen einer quasiklassischen und einer quantenmechanischen Beschreibung ausdrückt und somit ein Artefakt dieser Art der theoretischen Annäherung an das quantenmechanische Vielteilchenproblem ist. Als Austauscheffekte bezeichnet man im allgemeinen solche ("klassisch nicht erklärbaren") Phänomene, durch die sich quantenmechanische Vielteilchensystemen aufgrund der Ununterscheidbarkeit von klassischen unterscheiden. In dieser Terminologie sind Austauscheffekte reine Vielteilcheneffekte, so dass einige der traditionell mit Austausch bezeichneten magnetischen Effekte (Superaustausch) und vor allem die chemische Bindung keine Austauscheffekte sind. So wurde ursprünglich die Ausbildung der chemischen Bindung im Wasserstoffmolekül dadurch "erklärt", dass die beiden Protonen ihre Elektronen austauschen können und dadurch eine anziehende Wechselwirkung zustande kommen sollte. Tatsächlich beruht die zu diesem gebundenen Zustand führende Energieerniedrigung im wesentlichen auf Delokalisierung und hat mit Austausch im Sinn der obigen Definition nichts zu tun.

2) in der Quantenfeldtheorie im Zusammenhang mit dem Austausch von Teilchen (Feldquanten) eine physikalische Wechselwirkung (im Unterschied zu dem mit der Ununterscheidbarkeit zusammenhängenden Austauschbegriff der Quantenmechanik, siehe oben). So wird beispielsweise in der BCS-Theorie der Supraleitung die Cooper-Paarbildung durch den Austausch von (virtuellen) Phononen zwischen zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin und Impuls beschrieben. [MG1]