在化學和物理學中，交換相互作用（具有交換能量和交換項）是一種只發生在相同粒子之間的量子力學效應。 盡管有時被稱為與經典力類比的交換力，但它不是真正的力，因為它缺乏力的載體。

該效應是由于不可區分粒子的波函數服從交換對稱性，即當兩個粒子交換時，要么保持不變（對稱），要么改變符號（反對稱）。 玻色子和費米子都可以經歷交換相互作用。 對于費米子，這種相互作用有時稱為泡利排斥，與泡利不相容原理有關。 對于玻色子，交換相互作用采用有效吸引的形式，導致相同的粒子更靠近在一起，就像在玻色-愛因斯坦凝聚中一樣。

當兩個或多個不可區分的粒子的波函數重疊時，交換相互作用會改變距離的期望值。 這種相互作用增加（對于費米子）或減少（對于玻色子）相同粒子之間距離的期望值（與可區分粒子相比）。 除其他后果外，交換相互作用是鐵磁性和物質體積的原因。 它沒有經典的類似物。

交換作用效應是由物理學家維爾納·海森堡和保羅·狄拉克于 1926 年獨立發現的。

交換相互作用有時稱為交換力。 但是，它不是真正的力，不應與力載體交換產生的交換力混淆，例如兩個電子之間通過光子交換產生的電磁力，或兩個夸克之間產生的強力 膠子的交換。

盡管有時會被錯誤地描述為一種力，但與其他力不同，交換相互作用是一種純粹的量子力學效應。

量子力學粒子被歸類為玻色子或費米子。 量子場論的自旋統計定理要求所有具有半整數自旋的粒子表現為費米子，所有具有整數自旋的粒子表現為玻色子。 多個玻色子可能占據相同的量子態； 然而，根據泡利不相容原理，任何兩個費米子都不可能占據同一個狀態。 由于電子的自旋為 1/2，因此它們是費米子。 這意味著當兩個電子交換時，系統的整體波函數必須是反對稱的，即相對于空間和自旋坐標交換。 然而，首先，將在忽略自旋的情況下解釋交換。

采用類似氫分子的系統（即具有兩個電子的系統），可以嘗試通過首先假設電子獨立行為并在 Φ a ( r 1 ) {\ displaystyle \Phi _{a}(r_{1})} 代表xxx個電子，Φ b ( r 2 ) {\displaystyle \Phi _{b}(r_{2})} 代表第二個電子。 我們假設 Φ a {\displaystyle \Phi _{a}} 和 Φ b {\displaystyle \Phi _{b}} 是正交的，并且每個對應于其電子的能量本征態。 現在，可以通過使用位置空間中乘積波函數的反對稱組合為整個系統在位置空間中構建波函數：

(1)

或者，我們也可以通過使用位置空間中乘積波函數的對稱組合來構造整體位置空間波函數：

(2)

用微擾法處理氫分子中的交換相互作用，總哈密頓量由未受擾動的獨立氫原子 H ( 0 ) {\displaystyle {\mathcal {H}}{(0)}} 和 擾動 H ( 1 ) {\displaystyle {\mathcal {H}}{(1)}} 是：

H = H ( 0 ) + H ( 1 ) {\displaystyle {\mathcal {H}}={\mathcal {H}}{(0)}+{\mathcal {H}}{(1) }}

其中 H ( 0 ) = ? ? 2 2 m Δ 1 ? ? 2 2 m Δ 2 ? e 2 r a 1 ? e 2 r b 2 {\displaystyle {\mathcal {H}}{(0)}=-{ \frac {\hbar {2}}{2m}}\Delta _{1}-{\frac {\hbar {2}}{2m}}\Delta _{2}-{\ frac {e{2}}{r_{a1}}}-{\frac {e{2}}{r_{b2}}}} 和 H ( 1 ) = ( e 2 R a b + e 2 r 12 ? e 2 r a 2 ? e 2 r b 1 ) {\displaystyle {\mathcal {H}}{(1)}=\left({\frac {e{2}}{R_{ab}}}+ {\frac {e{2}}{r_{12}}}-{\frac {e{2}}{r_{a2}}}-{\frac {e{2}}{r_{b1 }}}\正確的）}

前兩項表示動能，后兩項表示勢能，對應于：質子-質子排斥力 (Rab)、電子-電子排斥力 (r12) 和電子-質子吸引力 (ra1/a2/b1/b2)。 假設所有數量都是真實的。

找到系統能量的兩個特征值：

(3)

其中 E+ 是空間對稱解，E? 是空間反對稱解，對應于 Ψ S {\displaystyle \Psi _{\rm {S}}} 和 Ψ A {\displaystyle \Psi _{ \rm {A}}} 尊重。