교환 상호작용(영어: exchange interaction)은 화학 및 물리학에서 구별 불가능한 입자의 상태에 대한 양자역학적 제약을 의미한다. 때로는 교환력(exchange force) 또는 페르미온의 경우 파울리 반발(Pauli repulsion)이라고도 불리지만, 그 결과는 힘에 대한 고전적 개념만으로는 항상 예측할 수 없다. 보손과 페르미온 모두 교환 상호작용을 경험할 수 있다.
구별 불가능한 입자의 파동 함수는 교환 대칭성의 적용을 받는다. 두 입자가 교환될 때 파동 함수는 부호가 바뀌거나(페르미온의 경우) 변하지 않는다(보손의 경우). 교환 대칭성은 두 구별 불가능한 입자의 파동 함수가 겹칠 때 이들 사이의 거리의 기대값을 변경한다. 페르미온의 경우 거리의 기대값은 증가하고, 보손의 경우 감소한다(구별 가능한 입자와 비교하여).
교환 상호작용은 교환 대칭성과 쿨롱 상호작용의 조합으로 인해 발생한다. 전자 기체 내 전자에서 교환 대칭성은 전자 근처에 "교환 구멍"을 생성하여, 동일한 스핀을 가진 다른 전자는 파울리 배타 원리로 인해 이 구멍을 피하려는 경향을 보인다. 이는 동일한 스핀을 가진 전자들 사이의 쿨롱 상호작용과 관련된 에너지를 감소시킨다. 스핀이 다른 두 전자는 서로 구별 가능하며 교환 대칭성의 적용을 받지 않기 때문에, 이 효과는 스핀을 정렬시키는 경향이 있다. 교환 상호작용은 강자성의 주요 물리적 효과이며, 고전적 유사성이 없다.
보손의 경우 교환 대칭성은 보손이 서로 뭉치게 하며, 교환 상호작용은 보스-아인슈타인 응축에서와 같이 동일한 입자들이 서로 더 가까이 발견되도록 하는 유효 인력의 형태로 나타난다.
교환 상호작용의 효과는 1926년 물리학자 베르너 하이젠베르크와 폴 디랙에 의해 독립적으로 발견되었다.
교환 상호작용은 국소화된 전자 자기 모멘트 간의 상호작용으로도 설명된다. 하이젠베르크 교환 해밀토니언(Heisenberg exchange Hamiltonian)은 두 전자의 스핀 운동량의 내적에 비례하는 형태로 표현되며, 교환 상수 J의 부호에 따라 강자성(J>0) 또는 반강자성(J<0)을 결정한다. 교환 상호작용의 결과는 본질적으로 자기적이지만, 그 원인은 전기적 반발과 파울리 배타 원리에서 비롯된다. 일반적으로 한 쌍의 전자 간의 직접적인 자기 상호작용은 이 전기 상호작용에 비해 무시할 정도로 작다.
교환 상호작용은 매우 짧은 범위로, 동일한 원자 내의 궤도(원자 내 교환) 또는 가장 가까운 이웃 원자(직접 교환)의 전자에 국한되지만, 중간 원자를 통해 더 긴 범위의 상호작용이 발생할 수 있으며 이를 초교환(superexchange)이라고 한다. 그 외에도 RKKY 상호작용, 이중 교환(double exchange) 등 다양한 교환 메커니즘이 존재한다.
고체 물리학에서 하이젠베르크 해밀토니언은 전자가 국소화된 절연성 물질의 자기적 특성을 설명하는 데 적절한 모델이지만, 금속 전도성을 보이는 비국소화된 전자 시스템에서는 스토너 모형(Stoner model)이 더 적합한 것으로 알려져 있다.
