กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 8 นาที

ปัญหาของทอมสัน

วัตถุประสงค์ของปัญหาทอมสันคือการกำหนด โครงสร้าง พลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิต ขั้นต่ำ ของอิเล็กตรอนN ตัว...

ปัญหาของทอมสัน

วัตถุประสงค์ของปัญหาทอมสันคือการกำหนด โครงสร้าง พลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิต ขั้นต่ำ ของอิเล็กตรอนN ตัว ที่ถูกจำกัดไว้บนพื้นผิวของทรงกลมหน่วยซึ่งผลักกันด้วยแรงที่กำหนดโดยกฎของคูลอมบ์นักฟิสิกส์JJ Thomsonตั้งปัญหานี้ขึ้นในปี 1904 [ 1 ]หลังจากเสนอแบบจำลองอะตอมซึ่งต่อมาเรียกว่าแบบจำลองพุดดิ้งลูกพลัมโดยอาศัยความรู้ของเขาเกี่ยวกับการมีอยู่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบภายในอะตอมที่มีประจุเป็นกลาง

ปัญหาที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ การศึกษาเรขาคณิตของโครงสร้างที่มีพลังงานต่ำสุด และการศึกษาพฤติกรรมของโครงสร้างที่มีพลังงานต่ำสุดเมื่อค่า N มีขนาดใหญ่

ข้อความทางคณิตศาสตร์

พลังงานอันตรกิริยาทางไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กตรอนแต่ละคู่ที่มีประจุเท่ากัน ( โดยมีประจุพื้นฐานของอิเล็กตรอน) เป็นไปตามกฎของคูลอมบ์

โดยที่คือค่าคงที่ทางไฟฟ้าและคือระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนแต่ละคู่ที่ตำแหน่งจุดบนทรงกลมซึ่งกำหนดโดยเวกเตอร์และตามลำดับ

มีการใช้ หน่วยอย่างง่ายของและ( ค่าคงที่คูลอมบ์ ) โดยไม่เสียความเป็นทั่วไป จากนั้น

พลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิตรวมของแต่ละ การจัดเรียงอิเล็กตรอน Nตัว สามารถแสดงได้ในรูปผลรวมของพลังงานปฏิสัมพันธ์ระหว่างคู่ต่างๆ ทั้งหมด

โดยทั่วไป การหาค่าต่ำสุดทั่วโลกของค่าคงที่สำหรับทุกรูปแบบที่เป็นไปได้ของ จุดที่แตกต่างกัน Nจุด จะทำได้โดยใช้อัลกอริธึมการหาค่าต่ำสุดเชิงตัวเลข

ปัญหาของทอมสันเกี่ยวข้องกับปัญหาคณิตศาสตร์ที่ยังแก้ไม่ตกข้อที่ 7 จากทั้งหมด 18 ข้อที่เสนอโดยนักคณิตศาสตร์สตีฟ สเมล — "การกระจายจุดบนทรงกลม 2 มิติ" [ 2 ] ความแตกต่างหลักคือ ในปัญหาของสเมล ฟังก์ชันที่ต้องทำให้น้อยที่สุดไม่ใช่ศักย์ไฟฟ้าสถิตแต่เป็นศักย์ลอการิทึมที่กำหนดโดยความแตกต่างประการที่สองคือ คำถามของสเมลเกี่ยวกับพฤติกรรมเชิงอะซิมโทติกของศักย์รวมเมื่อจำนวน จุด Nเข้าสู่อนันต์ ไม่ใช่สำหรับค่าNที่ แน่นอน

ตัวอย่าง

คำตอบของปัญหาทอมสันสำหรับอิเล็กตรอนสองตัวนั้นได้มาเมื่ออิเล็กตรอนทั้งสองอยู่ห่างกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยอยู่คนละด้านของจุดกำเนิดหรือ

ทราบคำตอบที่แน่นอนแล้ว

 แผนภาพแสดงวิธีแก้ปัญหาทางเรขาคณิตของปัญหาทอมสันทางคณิตศาสตร์ สำหรับ อิเล็กตรอนไม่เกินN = 5 ตัว

มีการระบุโครงสร้างที่มีพลังงานต่ำสุดที่ถูกต้องแม่นยำทางคณิตศาสตร์อย่างเข้มงวดในกรณีเพียงไม่กี่กรณีเท่านั้น

  • สำหรับN  = 1 คำตอบนั้นง่ายมาก อิเล็กตรอนตัวเดียวอาจอยู่ ณ จุดใดก็ได้บนพื้นผิวของทรงกลมหน่วย พลังงานรวมของการจัดเรียงตัวนั้นถูกกำหนดให้เป็นศูนย์ เนื่องจากประจุของอิเล็กตรอนไม่ได้รับอิทธิพลจากสนามไฟฟ้าใดๆ จากแหล่งกำเนิดประจุอื่นๆ
  • สำหรับN  = 2 การจัดเรียงที่เหมาะสมที่สุดจะประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่จุดตรงข้ามกัน
  • สำหรับN  = 3 อิเล็กตรอนจะอยู่ที่จุดยอดของสามเหลี่ยมด้านเท่ารอบวงกลมใหญ่ใดๆ[ 3 ]วงกลมใหญ่มักถูกพิจารณาว่ากำหนดเส้นศูนย์สูตรรอบทรงกลม และจุดสองจุดที่ตั้งฉากกับระนาบมักถูกพิจารณาว่าเป็นขั้วเพื่อช่วยในการอภิปรายเกี่ยวกับการกำหนดค่าไฟฟ้าสถิตของโซลูชันอิเล็กตรอนN จำนวนมาก
  • สำหรับN  = 6 อิเล็กตรอนจะอยู่ที่จุดยอดของทรงแปดเหลี่ยมปกติ[ 5 ]การกำหนดค่านี้อาจอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอนสี่ตัวอยู่ที่มุมของสี่เหลี่ยมจัตุรัสรอบเส้นศูนย์สูตร และอีกสองตัวอยู่ที่ขั้ว

คำตอบของปัญหา Thomson สำหรับ อิเล็กตรอน N  = 4, 6 และ 12 คือทรงหลายเหลี่ยมเพลโตที่มีหน้าเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าที่เท่ากันทุกประการ คำตอบเชิงตัวเลขสำหรับN  = 8 และ 20 ไม่ใช่รูปทรงหลายเหลี่ยมนูนปกติของทรงหลายเหลี่ยมเพลโตอีกสองรูป ( ลูกบาศก์และทรงสิบ สองเหลี่ยม ตามลำดับ) [ 7 ]

การสรุปโดยทั่วไป

เราสามารถถามถึงสถานะพื้นฐานของอนุภาคที่ปฏิสัมพันธ์กับศักยภาพใดๆ ก็ได้ เพื่อให้มีความแม่นยำทางคณิตศาสตร์มากขึ้น ให้fเป็นฟังก์ชันค่าจริงที่ลดลง และกำหนดฟังก์ชันพลังงาน

ตามธรรมเนียมแล้ว ถือว่า เคอร์เนล Riesz เป็นที่รู้จักกันในชื่อนี้สำหรับเคอร์เนล Riesz ที่สามารถหาปริพันธ์ได้ โปรดดูงานของ Landkof ในปี 1972 [ 8 ]สำหรับเคอร์เนล Riesz ที่ไม่สามารถหาปริพันธ์ได้ทฤษฎีบทเบเกิลเมล็ดป๊อปปี้ใช้ได้ โปรดดูงานของ Hardin และ Saff ในปี 2004 [ 9 ]กรณีที่น่าสนใจได้แก่: [ 10 ]

  • α  = ∞ ปัญหาของ Tammes (การบรรจุ)
  • α  = 1 ปัญหาของทอมสัน;
  • α  = 0 เพื่อเพิ่มค่าผลคูณของระยะทางให้สูงสุด ซึ่งต่อมาเรียกว่าปัญหาของไวท์ (Whyte's problem )
  • α  = −1 : ปัญหาระยะทางเฉลี่ยสูงสุด

นอกจากนี้ยังสามารถพิจารณาการจัดเรียง จุด Nจุดบนทรงกลมที่มีมิติสูงกว่าได้ ดูที่ การ ออกแบบ ทรงกลม

อัลกอริทึมการแก้ปัญหา

มีการใช้อัลกอริธึมหลายตัว กับปัญหานี้ จุดสนใจตั้งแต่ช่วงสหัสวรรษคือวิธี การเพิ่มประสิทธิภาพเฉพาะที่ที่ใช้กับฟังก์ชันพลังงาน แม้ว่าการเดินแบบสุ่มจะปรากฏตัวขึ้นก็ตาม: [ 10 ]

  • การหาค่าเหมาะสมที่สุดทั่วโลกแบบมีข้อจำกัด (Altschuler et al. 1994)
  • ทางลงที่ชันที่สุด (Claxton and Benson 1966, Erber and Hockney 1991)
  • การเดินแบบสุ่ม (Weinrach et al. 1990)
  • อัลกอริทึมทางพันธุกรรม (มอร์ริสและคณะ 1996)

แม้ว่าเป้าหมายคือการลดพลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิตโดยรวมของแต่ละ กรณีที่มีอิเล็กตรอน N ตัวให้เหลือ น้อยที่สุด แต่ก็มีกรณีเริ่มต้นเชิงอัลกอริทึมหลายกรณีที่น่าสนใจ

ประจุเปลือกทรงกลมต่อเนื่อง

ขีดจำกัดพลังงานสูงสุดสุดขั้วของปัญหาทอมสันกำหนดโดยสำหรับประจุเปลือกต่อเนื่อง ตามด้วย N(N − 1)/2 ซึ่งเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการกระจายแบบสุ่มของ อิเล็กตรอน N ตัว พลังงานที่ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญของคำตอบอิเล็กตรอน Nตัวที่กำหนดของปัญหาทอมสันที่มีประจุหนึ่งตัวที่จุดกำเนิดนั้นหาได้ง่ายโดย โดยที่คือคำตอบของปัญหาทอมสัน

พลังงานของเปลือกทรงกลมต่อเนื่องที่มีประจุกระจายอยู่ทั่วพื้นผิว มีค่าดังนี้

และโดยทั่วไปแล้วจะมีค่ามากกว่าพลังงานของคำตอบของปัญหาทอมสันทุกข้อ หมายเหตุ: ในที่นี้N ถูกใช้เป็นตัวแปรต่อเนื่องที่แสดงถึงประจุ Q ที่แบ่ง ได้ไม่จำกัดซึ่งกระจายอยู่ทั่วเปลือกทรงกลม ตัวอย่างเช่น เปลือกทรงกลมแสดงถึงการกระจายประจุของอิเล็กตรอนตัวเดียวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเปลือก

ประจุจุดกระจายแบบสุ่ม

พลังงานรวมที่คาดหวังของระบบอิเล็กตรอนที่กระจายตัวอย่างสุ่มอย่างสมบูรณ์บนพื้นผิวของทรงกลมนั้นกำหนดโดย

และโดยทั่วไปแล้วจะมีค่ามากกว่าพลังงานของวิธีการแก้ปัญหาของทอมสันทุกวิธี

ในที่นี้Nเป็นตัวแปรแบบไม่ต่อเนื่องที่นับจำนวนอิเล็กตรอนในระบบ นอกจากนี้.

การกระจายประจุเป็นศูนย์กลาง

สำหรับทุกๆ วิธีแก้ปัญหาลำดับที่ Nของปัญหา Thomson จะมีการกำหนดค่าลำดับที่ th ที่รวมอิเล็กตรอนที่จุดกำเนิดของทรงกลมซึ่งมีพลังงานเป็นเพียงผลรวมของNกับพลังงานของ วิธีแก้ปัญหาลำดับที่ Nนั่นคือ[ 11 ]

ดังนั้น ถ้าทราบค่า อย่างแน่นอน ก็จะทราบค่า อย่างแน่นอนเช่นกัน

โดยทั่วไปแล้วมีค่ามากกว่าแต่มีค่าใกล้เคียงกับคำตอบของปัญหา Thomson แต่ละข้อมากกว่าและอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้น การกระจายประจุแบบศูนย์กลางจึงแสดงถึง "ช่องว่างพลังงาน" ที่เล็กกว่าที่จะต้องข้ามเพื่อให้ได้คำตอบของปัญหา Thomson แต่ละข้อ เมื่อเทียบกับอัลกอริทึมที่เริ่มต้นด้วยการกำหนดค่าประจุอีกสองแบบ

ความสัมพันธ์กับปัญหาทางวิทยาศาสตร์อื่นๆ

ปัญหาของทอมสันเป็นผลตามธรรมชาติของแบบจำลองพุดดิ้งลูกพลัม ของเจเจ ทอมสัน ในกรณีที่ไม่มีประจุพื้นหลังบวกที่สม่ำเสมอ[ 12 ]

"ไม่มีข้อเท็จจริงใดที่ค้นพบเกี่ยวกับอะตอมที่จะเป็นเรื่องเล็กน้อย หรือจะไม่ช่วยเร่งความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์กายภาพ เพราะส่วนใหญ่ของปรัชญาธรรมชาติเป็นผลมาจากโครงสร้างและกลไกของอะตอม"

— เซอร์ เจเจ ทอมสัน[ 13 ]

แม้ว่าหลักฐานเชิงทดลองจะนำไปสู่การละทิ้งแบบจำลองพุดดิ้งลูกพลัมของทอมสันในฐานะแบบจำลองอะตอมที่สมบูรณ์ แต่ความผิดปกติที่สังเกตได้ในการแก้ปัญหาพลังงานเชิงตัวเลขของปัญหาของทอมสันพบว่าสอดคล้องกับการเติมเปลือกอิเล็กตรอนในอะตอมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทั่วทั้งตารางธาตุ[ 14 ]

ปัญหาของทอมสันยังมีบทบาทในการศึกษาแบบจำลองทางฟิสิกส์อื่นๆ รวมถึงฟองอากาศที่มีอิเล็กตรอนหลายตัวและการเรียงตัวของพื้นผิวของหยดโลหะเหลวที่ถูกกักอยู่ในกับดักของพอ

ปัญหาทอมสันแบบทั่วไปเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น ในการกำหนดการจัดเรียงของหน่วยย่อยโปรตีนที่ประกอบเป็นเปลือกของไวรัส ทรงกลม "อนุภาค" ในการประยุกต์ใช้นี้คือกลุ่มของหน่วยย่อยโปรตีนที่จัดเรียงอยู่บนเปลือก การนำไปใช้ในด้านอื่นๆ ได้แก่ การจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบของ อนุภาค คอลลอยด์ในคอลลอยโดโซมซึ่งเสนอสำหรับการห่อหุ้มส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์ เช่น ยา สารอาหาร หรือเซลล์สิ่งมีชีวิต รูปแบบ ฟูลเลอรีนของอะตอมคาร์บอน และทฤษฎี VSEPRตัวอย่างที่มีปฏิสัมพันธ์แบบลอการิทึมระยะไกล ได้แก่กระแสน้ำวน Abrikosovที่ก่อตัวขึ้นที่อุณหภูมิต่ำใน เปลือกโลหะ ตัวนำยิ่งยวดที่มีโมโนโพลขนาดใหญ่อยู่ที่ศูนย์กลาง

การจัดเรียงพลังงานที่เล็กที่สุดเท่าที่ทราบ

ในตารางต่อไปนี้คือจำนวนจุด (ประจุ) ในการจัดเรียงตัวคือพลังงาน ประเภทสมมาตรแสดงด้วยสัญลักษณ์ของ Schönflies (ดูกลุ่มจุดในสามมิติ ) และคือตำแหน่งของประจุ ประเภทสมมาตรส่วนใหญ่กำหนดให้ผลรวมเวกเตอร์ของตำแหน่ง (และดังนั้นโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้า ) ต้องเป็นศูนย์

ตามธรรมเนียมแล้วจะต้องพิจารณารูปทรงหลายเหลี่ยมที่เกิดจากส่วนนูนของจุดด้วย ดังนั้นคือจำนวนจุดยอดที่จำนวนขอบที่กำหนดมาบรรจบกันคือจำนวนขอบทั้งหมดคือจำนวนหน้าสามเหลี่ยมคือจำนวนหน้าสี่เหลี่ยม และคือมุมที่เล็กที่สุดที่รองรับโดยเวกเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับคู่ประจุที่ใกล้ที่สุด ความยาวของขอบโดยทั่วไปจะไม่เท่ากัน ดังนั้น ยกเว้นในกรณีที่N  = 2, 3, 4, 6, 12 และรูปทรงหลายเหลี่ยมจีโอเดสิก ส่วนนูนจึงเทียบเท่า ทางโทโพโลยีกับรูปที่แสดงในคอลัมน์สุดท้ายเท่านั้น[ 15 ]

เอ็นสมมาตรทรงหลายเหลี่ยมที่เทียบเท่ากัน
2 0.500000000 0 1 180.000° ดิกอน
3 1.732050808 0 3 2 120,000° สามเหลี่ยม
4 3.674234614 0 4 0 0 0 0 0 6 4 0 109.471° จัตุรมุข
5 6.474691495 0 2 3 0 0 0 0 9 6 0 90.000° พีระมิดคู่สามเหลี่ยม
6 9.985281374 0 0 6 0 0 0 0 12 8 0 90.000° ทรงแปดเหลี่ยม
7 14.452977414 0 0 5 2 0 0 0 15 10 0 72.000° พีระมิดคู่ห้าเหลี่ยม
8 19.675287861 0 0 8 0 0 0 0 16 8 2 71.694° ปริซึมสี่เหลี่ยมด้านไม่เท่า
9 25.759986531 0 0 3 6 0 0 0 21 14 0 69.190° ปริซึมสามเหลี่ยมเสริมสามเหลี่ยม
10 32.716949460 0 0 2 8 0 0 0 24 16 0 64.996° พีระมิดคู่สี่เหลี่ยมยาวแบบไจโร
11 40.596450510 0.013219635 0 2 8 1 0 0 27 18 0 58.540° ไอโคซาเฮดรอนที่หดตัวตามขอบ
12 49.165253058 0 0 0 12 0 0 0 30 20 0 63.435° ทรงยี่สิบหน้า ( ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 1,0 )
13 58.853230612 0.008820367 0 1 10 2 0 0 33 22 0 52.317°
14 69.306363297 0 0 0 12 2 0 0 36 24 0 52.866° พีระมิดคู่หกเหลี่ยมที่ยืดออก
15 80.670244114 0 0 0 12 3 0 0 39 26 0 49.225°
16 92.911655302 0 0 0 12 4 0 0 42 28 0 48.936° ทรงสิบสองเหลี่ยมที่ลดขนาดลงตามรูปทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่า
17 106.050404829 0 0 0 12 5 0 0 45 30 0 50.108° พีระมิดคู่ห้าเหลี่ยมแบบไจโรยาวสองชั้น
18 120.084467447 0 0 2 8 8 0 0 48 32 0 47.534°
19 135.089467557 0.000135163 0 0 14 5 0 0 50 32 1 44.910°
20 150.881568334 0 0 0 12 8 0 0 54 36 0 46.093°
21 167.641622399 0.001406124 0 1 10 10 0 0 57 38 0 44.321°
22 185.287536149 0 0 0 12 10 0 0 60 40 0 43.302°
23 203.930190663 0 0 0 12 11 0 0 63 42 0 41.481°
24 223.347074052 0 0 0 24 0 0 0 60 32 6 42.065° ลูกบาศก์สั้น
25 243.812760299 0.001021305 0 0 14 11 0 0 68 44 1 39.610°
26 265.133326317 0.001919065 0 0 12 14 0 0 72 48 0 38.842°
27 287.302615033 0 0 0 12 15 0 0 75 50 0 39.940°
28 310.491542358 0 0 0 12 16 0 0 78 52 0 37.824°
29 334.634439920 0 0 0 12 17 0 0 81 54 0 36.391°
30 359.603945904 0 0 0 12 18 0 0 84 56 0 36.942°
31 385.530838063 0.003204712 0 0 12 19 0 0 87 58 0 36.373°
32 412.261274651 0 0 0 12 20 0 0 90 60 0 37.377° เพนทาคิส โดเดคาเฮดรอน ( ทรงกลมจีโอ เดสิก {3,5+} 1,1 )
33 440.204057448 0.004356481 0 0 15 17 1 0 92 60 1 33.700°
34 468.904853281 0 0 0 12 22 0 0 96 64 0 33.273°
35 498.569872491 0.000419208 0 0 12 23 0 0 99 66 0 33.100°
36 529.122408375 0 0 0 12 24 0 0 102 68 0 33.229°
37 560.618887731 0 0 0 12 25 0 0 105 70 0 32.332°
38 593.038503566 0 0 0 12 26 0 0 108 72 0 33.236°
39 626.389009017 0 0 0 12 27 0 0 111 74 0 32.053°
40 660.675278835 0 0 0 12 28 0 0 114 76 0 31.916°
41 695.916744342 0 0 0 12 29 0 0 117 78 0 31.528°
42 732.078107544 0 0 0 12 30 0 0 120 80 0 31.245°
43 769.190846459 0.000399668 0 0 12 31 0 0 123 82 0 30.867°
44 807.174263085 0 0 0 24 20 0 0 120 72 6 31.258°
45 846.188401061 0 0 0 12 33 0 0 129 86 0 30.207°
46 886.167113639 0 0 0 12 34 0 0 132 88 0 29.790°
47 927.059270680 0.002482914 0 0 14 33 0 0 134 88 1 28.787°
48 968.713455344 0 0 0 24 24 0 0 132 80 6 29.690°
49 1011.557182654 0.001529341 0 0 12 37 0 0 141 94 0 28.387°
50 1055.182314726 0 0 0 12 38 0 0 144 96 0 29.231°
51 1099.819290319 0 0 0 12 39 0 0 147 98 0 28.165°
52 1145.418964319 0.000457327 0 0 12 40 0 0 150 100 0 27.670°
53 1191.922290416 0.000278469 0 0 18 35 0 0 150 96 3 27.137°
54 1239.361474729 0.000137870 0 0 12 42 0 0 156 104 0 27.030°
55 1287.772720783 0.000391696 0 0 12 43 0 0 159 106 0 26.615°
56 1337.094945276 0 0 0 12 44 0 0 162 108 0 26.683°
57 1387.383229253 0 0 0 12 45 0 0 165 110 0 26.702°
58 1438.618250640 0 0 0 12 46 0 0 168 112 0 26.155°
59 1490.773335279 0.000154286 0 0 14 43 2 0 171 114 0 26.170°
60 1543.830400976 0 0 0 12 48 0 0 174 116 0 25.958°
61 1597.941830199 0.001091717 0 0 12 49 0 0 177 118 0 25.392°
62 1652.909409898 0 0 0 12 50 0 0 180 120 0 25.880°
63 1708.879681503 0 0 0 12 51 0 0 183 122 0 25.257°
64 1765.802577927 0 0 0 12 52 0 0 186 124 0 24.920°
65 1823.667960264 0.000399515 0 0 12 53 0 0 189 126 0 24.527°
66 1882.441525304 0.000776245 0 0 12 54 0 0 192 128 0 24.765°
67 1942.122700406 0 0 0 12 55 0 0 195 130 0 24.727°
68 2002.874701749 0 0 0 12 56 0 0 198 132 0 24.433°
69 2064.533483235 0 0 0 12 57 0 0 201 134 0 24.137°
70 2127.100901551 0 0 0 12 50 0 0 200 128 4 24.291°
71 2190.649906425 0.001256769 0 0 14 55 2 0 207 138 0 23.803°
72 2255.001190975 0 0 0 12 60 0 0 210 140 0 24.492° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 2,1
73 2320.633883745 0.001572959 0 0 12 61 0 0 213 142 0 22.810°
74 2387.072981838 0.000641539 0 0 12 62 0 0 216 144 0 22.966°
75 2454.369689040 0 0 0 12 63 0 0 219 146 0 22.736°
76 2522.674871841 0.000943474 0 0 12 64 0 0 222 148 0 22.886°
77 2591.850152354 0 0 0 12 65 0 0 225 150 0 23.286°
78 2662.046474566 0 0 0 12 66 0 0 228 152 0 23.426°
79 2733.248357479 0.000702921 0 0 12 63 1 0 230 152 1 22.636°
80 2805.355875981 0 0 0 16 64 0 0 232 152 2 22.778°
81 2878.522829664 0.000194289 0 0 12 69 0 0 237 158 0 21.892°
82 2952.569675286 0 0 0 12 70 0 0 240 160 0 22.206°
83 3027.528488921 0.000339815 0 0 14 67 2 0 243 162 0 21.646°
84 3103.465124431 0.000401973 0 0 12 72 0 0 246 164 0 21.513°
85 3180.361442939 0.000416581 0 0 12 73 0 0 249 166 0 21.498°
86 3258.211605713 0.001378932 0 0 12 74 0 0 252 168 0 21.522°
87 3337.000750014 0.000754863 0 0 12 75 0 0 255 170 0 21.456°
88 3416.720196758 0 0 0 12 76 0 0 258 172 0 21.486°
89 3497.439018625 0.000070891 0 0 12 77 0 0 261 174 0 21.182°
90 3579.091222723 0 0 0 12 78 0 0 264 176 0 21.230°
91 3661.713699320 0.000033221 0 0 12 79 0 0 267 178 0 21.105°
92 3745.291636241 0 0 0 12 80 0 0 270 180 0 21.026°
93 3829.844338421 0.000213246 0 0 12 81 0 0 273 182 0 20.751°
94 3915.309269620 0 0 0 12 82 0 0 276 184 0 20.952°
95 4001.771675565 0.000116638 0 0 12 83 0 0 279 186 0 20.711°
96 4089.154010060 0.000036310 0 0 12 84 0 0 282 188 0 20.687°
97 4177.533599622 0.000096437 0 0 12 85 0 0 285 190 0 20.450°
98 4266.822464156 0.000112916 0 0 12 86 0 0 288 192 0 20.422°
99 4357.139163132 0.000156508 0 0 12 87 0 0 291 194 0 20.284°
100 4448.350634331 0 0 0 12 88 0 0 294 196 0 20.297°
101 4540.590051694 0 0 0 12 89 0 0 297 198 0 20.011°
102 4633.736565899 0 0 0 12 90 0 0 300 200 0 20.040°
103 4727.836616833 0.000201245 0 0 12 91 0 0 303 202 0 19.907°
104 4822.876522746 0 0 0 12 92 0 0 306 204 0 19.957°
105 4919.000637616 0 0 0 12 93 0 0 309 206 0 19.842°
106 5015.984595705 0 0 0 12 94 0 0 312 208 0 19.658°
107 5113.953547724 0.000064137 0 0 12 95 0 0 315 210 0 19.327°
108 5212.813507831 0.000432525 0 0 12 96 0 0 318 212 0 19.327°
109 5312.735079920 0.000647299 0 0 14 93 2 0 321 214 0 19.103°
110 5413.549294192 0 0 0 12 98 0 0 324 216 0 19.476°
111 5515.293214587 0 0 0 12 99 0 0 327 218 0 19.255°
112 5618.044882327 0 0 0 12 100 0 0 330 220 0 19.351°
113 5721.824978027 0 0 0 12 101 0 0 333 222 0 18.978°
114 5826.521572163 0.000149772 0 0 12 102 0 0 336 224 0 18.836°
115 5932.181285777 0.000049972 0 0 12 103 0 0 339 226 0 18.458°
116 6038.815593579 0.000259726 0 0 12 104 0 0 342 228 0 18.386°
117 6146.342446579 0.000127609 0 0 12 105 0 0 345 230 0 18.566°
118 6254.877027790 0.000332475 0 0 12 106 0 0 348 232 0 18.455°
119 6364.347317479 0.000685590 0 0 12 107 0 0 351 234 0 18.336°
120 6474.756324980 0.001373062 0 0 12 108 0 0 354 236 0 18.418°
121 6586.121949584 0.000838863 0 0 12 109 0 0 357 238 0 18.199°
122 6698.374499261 0 0 0 12 110 0 0 360 240 0 18.612° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 2,2
123 6811.827228174 0.001939754 0 0 14 107 2 0 363 242 0 17.840°
124 6926.169974193 0 0 0 12 112 0 0 366 244 0 18.111°
125 7041.473264023 0.000088274 0 0 12 113 0 0 369 246 0 17.867°
126 7157.669224867 0 0 2 16 100 8 0 372 248 0 17.920°
127 7274.819504675 0 0 0 12 115 0 0 375 250 0 17.877°
128 7393.007443068 0.000054132 0 0 12 116 0 0 378 252 0 17.814°
129 7512.107319268 0.000030099 0 0 12 117 0 0 381 254 0 17.743°
130 7632.167378912 0.000025622 0 0 12 118 0 0 384 256 0 17.683°
131 7753.205166941 0.000305133 0 0 12 119 0 0 387 258 0 17.511°
132 7875.045342797 0 0 0 12 120 0 0 390 260 0 17.958° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 3,1
133 7998.179212898 0.000591438 0 0 12 121 0 0 393 262 0 17.133°
134 8122.089721194 0.000470268 0 0 12 122 0 0 396 264 0 17.214°
135 8246.909486992 0 0 0 12 123 0 0 399 266 0 17.431°
136 8372.743302539 0 0 0 12 124 0 0 402 268 0 17.485°
137 8499.534494782 0 0 0 12 125 0 0 405 270 0 17.560°
138 8627.406389880 0.000473576 0 0 12 126 0 0 408 272 0 16.924°
139 8756.227056057 0.000404228 0 0 12 127 0 0 411 274 0 16.673°
140 8885.980609041 0.000630351 0 0 13 126 1 0 414 276 0 16.773°
141 9016.615349190 0.000376365 0 0 14 126 0 1 417 278 0 16.962°
142 9148.271579993 0.000550138 0 0 12 130 0 0 420 280 0 16.840°
143 9280.839851192 0.000255449 0 0 12 131 0 0 423 282 0 16.782°
144 9414.371794460 0 0 0 12 132 0 0 426 284 0 16.953°
145 9548.928837232 0.000094938 0 0 12 133 0 0 429 286 0 16.841°
146 9684.381825575 0 0 0 12 134 0 0 432 288 0 16.905°
147 9820.932378373 0.000636651 0 0 12 135 0 0 435 290 0 16.458°
148 9958.406004270 0.000203701 0 0 12 136 0 0 438 292 0 16.627°
149 10096.859907397 0.000638186 0 0 14 133 2 0 441 294 0 16.344°
150 10236.196436701 0 0 0 12 138 0 0 444 296 0 16.405°
151 10376.571469275 0.000153836 0 0 12 139 0 0 447 298 0 16.163°
152 10517.867592878 0 0 0 12 140 0 0 450 300 0 16.117°
153 10660.082748237 0 0 0 12 141 0 0 453 302 0 16.390°
154 10803.372421141 0.000735800 0 0 12 142 0 0 456 304 0 16.078°
155 10947.574692279 0.000603670 0 0 12 143 0 0 459 306 0 15.990°
156 11092.798311456 0.000508534 0 0 12 144 0 0 462 308 0 15.822°
157 11238.903041156 0.000357679 0 0 12 145 0 0 465 310 0 15.948°
158 11385.990186197 0.000921918 0 0 12 146 0 0 468 312 0 15.987°
159 11534.023960956 0.000381457 0 0 12 147 0 0 471 314 0 15.960°
160 11683.054805549 0 0 0 12 148 0 0 474 316 0 15.961°
161 11833.084739465 0.000056447 0 0 12 149 0 0 477 318 0 15.810°
162 11984.050335814 0 0 0 12 150 0 0 480 320 0 15.813°
163 12136.013053220 0.000120798 0 0 12 151 0 0 483 322 0 15.675°
164 12288.930105320 0 0 0 12 152 0 0 486 324 0 15.655°
165 12442.804451373 0.000091119 0 0 12 153 0 0 489 326 0 15.651°
166 12597.649071323 0 0 0 16 146 4 0 492 328 0 15.607°
167 12753.469429750 0.000097382 0 0 12 155 0 0 495 330 0 15.600°
168 12910.212672268 0 0 0 12 156 0 0 498 332 0 15.655°
169 13068.006451127 0.000068102 0 0 13 155 1 0 501 334 0 15.537°
170 13226.681078541 0 0 0 12 158 0 0 504 336 0 15.569°
171 13386.355930717 0 0 0 12 159 0 0 507 338 0 15.497°
172 13547.018108787 0.000547291 0 0 14 156 2 0 510 340 0 15.292°
173 13708.635243034 0.000286544 0 0 12 161 0 0 513 342 0 15.225°
174 13871.187092292 0 0 0 12 162 0 0 516 344 0 15.366°
175 14034.781306929 0.000026686 0 0 12 163 0 0 519 346 0 15.252°
176 14199.354775632 0.000283978 0 0 12 164 0 0 522 348 0 15.101°
177 14364.837545298 0 0 0 12 165 0 0 525 350 0 15.269°
178 14531.309552587 0 0 0 12 166 0 0 528 352 0 15.145°
179 14698.754594220 0.000125113 0 0 13 165 1 0 531 354 0 14.968°
180 14867.099927525 0 0 0 12 168 0 0 534 356 0 15.067°
181 15036.467239769 0.000304193 0 0 12 169 0 0 537 358 0 15.002°
182 15206.730610906 0 0 0 12 170 0 0 540 360 0 15.155°
183 15378.166571028 0.000467899 0 0 12 171 0 0 543 362 0 14.747°
184 15550.421450311 0 0 0 12 172 0 0 546 364 0 14.932°
185 15723.720074072 0.000389762 0 0 12 173 0 0 549 366 0 14.775°
186 15897.897437048 0.000389762 0 0 12 174 0 0 552 368 0 14.739°
187 16072.975186320 0 0 0 12 175 0 0 555 370 0 14.848°
188 16249.222678879 0 0 0 12 176 0 0 558 372 0 14.740°
189 16426.371938862 0.000020732 0 0 12 177 0 0 561 374 0 14.671°
190 16604.428338501 0.000586804 0 0 12 178 0 0 564 376 0 14.501°
191 16783.452219362 0.001129202 0 0 13 177 1 0 567 378 0 14.195°
192 16963.338386460 0 0 0 12 180 0 0 570 380 0 14.819° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 3,2
193 17144.564740880 0.000985192 0 0 12 181 0 0 573 382 0 14.144°
194 17326.616136471 0.000322358 0 0 12 182 0 0 576 384 0 14.350°
195 17509.489303930 0 0 0 12 183 0 0 579 386 0 14.375°
196 17693.460548082 0.000315907 0 0 12 184 0 0 582 388 0 14.251°
197 17878.340162571 0 0 0 12 185 0 0 585 390 0 14.147°
198 18064.262177195 0.000011149 0 0 12 186 0 0 588 392 0 14.237°
199 18251.082495640 0.000534779 0 0 12 187 0 0 591 394 0 14.153°
200 18438.842717530 0 0 0 12 188 0 0 594 396 0 14.222°
201 18627.591226244 0.001048859 0 0 13 187 1 0 597 398 0 13.830°
202 18817.204718262 0 0 0 12 190 0 0 600 400 0 14.189°
203 19007.981204580 0.000600343 0 0 12 191 0 0 603 402 0 13.977°
204 19199.540775603 0 0 0 12 192 0 0 606 404 0 14.291°
212 20768.053085964 0 0 0 12 200 0 0 630 420 0 14.118° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 4,1
214 21169.910410375 0 0 0 12 202 0 0 636 424 0 13.771°
216 21575.596377869 0 0 0 12 204 0 0 642 428 0 13.735°
217 21779.856080418 0 0 0 12 205 0 0 645 430 0 13.902°
232 24961.252318934 0 0 0 12 220 0 0 690 460 0 13.260°
255 30264.424251281 0 0 0 12 243 0 0 759 506 0 12.565°
256 30506.687515847 0 0 0 12 244 0 0 762 508 0 12.572°
257 30749.941417346 0 0 0 12 245 0 0 765 510 0 12.672°
272 34515.193292681 0 0 0 12 260 0 0 810 540 0 12.335° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 3,3
282 37147.294418462 0 0 0 12 270 0 0 840 560 0 12.166° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 4,2
292 39877.008012909 0 0 0 12 280 0 0 870 580 0 11.857°
306 43862.569780797 0 0 0 12 294 0 0 912 608 0 11.628°
312 45629.313804002 0.000306163 0 0 12 300 0 0 930 620 0 11.299°
315 46525.825643432 0 0 0 12 303 0 0 939 626 0 11.337°
317 47128.310344520 0 0 0 12 305 0 0 945 630 0 11.423°
318 47431.056020043 0 0 0 12 306 0 0 948 632 0 11.219°
334 52407.728127822 0 0 0 12 322 0 0 996 664 0 11.058°
348 56967.472454334 0 0 0 12 336 0 0 1038 692 0 10.721°
357 59999.922939598 0 0 0 12 345 0 0 1065 710 0 10.728°
358 60341.830924588 0 0 0 12 346 0 0 1068 712 0 10.647°
372 65230.027122557 0 0 0 12 360 0 0 1110 740 0 10.531° ทรงกลมจีโอเดสิก {3,5+} 4,3
382 68839.426839215 0 0 0 12 370 0 0 1140 760 0 10.379°
390 71797.035335953 0 0 0 12 378 0 0 1164 776 0 10.222°
392 72546.258370889 0 0 0 12 380 0 0 1170 780 0 10.278°
400 75582.448512213 0 0 0 12 388 0 0 1194 796 0 10.068°
402 76351.192432673 0 0 0 12 390 0 0 1200 800 0 10.099°
432 88353.709681956 0 0 0 24 396 12 0 1290 860 0 9.556°
448 95115.546986209 0 0 0 24 412 12 0 1338 892 0 9.322°
460 100351.763108673 0 0 0 24 424 12 0 1374 916 0 9.297°
468 103920.871715127 0 0 0 24 432 12 0 1398 932 0 9.120°
470 104822.886324279 0 0 0 24 434 12 0 1404 936 0 9.059°

ตามสมมติฐาน ถ้าเป็นทรงหลายเหลี่ยมที่เกิดจากส่วนนูนของโครงสร้างคำตอบของปัญหาทอมสันสำหรับอิเล็กตรอน และเป็นจำนวนหน้าสี่เหลี่ยมของแล้วจะมีขอบ[ 16 ]

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  • Whyte, LL (1952). "การจัดเรียงจุดที่ไม่ซ้ำกันบนทรงกลม". Amer. Math. Monthly . 59 (9): 606– 611. doi : 10.2307/2306764 . JSTOR  2306764 .
  • Cohn, Harvey (1956). "การจัดเรียงเสถียรภาพของอิเล็กตรอนบนทรงกลม" . Math. Comput . 10 (55): 117– 120. doi : 10.1090/S0025-5718-1956-0081133-0 .
  • Goldberg, Michael (1969). "การจัดเรียงเสถียรภาพของอิเล็กตรอนบนทรงกลม" . Math. Comp . 23 (108): 785– 786. doi : 10.1090/S0025-5718-69-99642-2 .
  • Erber, T.; Hockney, GM (1991). "การจัดเรียงสมดุลของประจุเท่ากัน N ตัวบนทรงกลม". J. Phys. A: Math. Gen . 24 (23): L1369. Bibcode : 1991JPhA...24L1369E . doi : 10.1088/0305-4470/24/23/008 . S2CID  122561279 .
  • Morris, JR; Deaven, DM; Ho, KM (1996). "การลดพลังงานด้วยอัลกอริทึมทางพันธุกรรมสำหรับประจุจุดบนทรงกลม" Phys. Rev. B . 53 (4): R1740– R1743. Bibcode : 1996PhRvB..53.1740M . CiteSeerX  10.1.1.28.93 . doi : 10.1103/PhysRevB.53.R1740 . PMID  9983695 .
  • Erber, T.; Hockney, GM (1997). "ระบบที่ซับซ้อน: การจัดเรียงสมดุลของ ประจุ เท่ากันบนทรงกลม" ความก้าวหน้าในฟิสิกส์เคมี เล่มที่ 98 หน้า  495–594 doi : 10.1002/9780470141571.ch5 ISBN 978-0-470-14157-1..
  • Altschuler, EL; Williams, TJ; Ratner, ER; Tipton, R.; Stong, R.; Dowla, F.; Wooten, F. (1997). "การกำหนดค่าแลตติซขั้นต่ำทั่วโลกที่เป็นไปได้สำหรับปัญหาประจุบนทรงกลมของทอมสัน" . Phys. Rev. Lett . 78 (14): 2681– 2685. Bibcode : 1997PhRvL..78.2681A . doi : 10.1103/PhysRevLett.78.2681 .
  • Bowick, M.; Cacciuto, A.; Nelson, DR; Travesset, A. (2002). "การเรียงตัวของผลึกบนทรงกลมและปัญหา Thomson ทั่วไป" Phys. Rev. Lett . 89 (18): 249902. arXiv : cond-mat/0206144 . Bibcode : 2002PhRvL..89r5502B . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.185502 . PMID  12398614 . S2CID  20362989 .
  • Dragnev, PD; Legg, DA; Townsend, DW (2002). "พลังงานลอการิทึมแบบไม่ต่อเนื่องบนทรงกลม" . Pacific J. Math . 207 (2): 345– 358. doi : 10.2140/pjm.2002.207.345 ..
  • Katanforoush, A.; Shahshahani, M. (2003). "การกระจายจุดบนทรงกลม. I" . Exper. Math . 12 (2): 199– 209. doi : 10.1080/10586458.2003.10504492 . S2CID  7306812 .
  • Wales, David J.; Ulker, Sidika (2006). "โครงสร้างและพลวัตของผลึกทรงกลมที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับปัญหาของ Thomson" Phys. Rev. B . 74 (21) 212101. Bibcode : 2006PhRvB..74u2101W . doi : 10.1103/PhysRevB.74.212101 . S2CID  119932997 .การกำหนดค่าพิมพ์ซ้ำในWales, DJ; Ulker, S. "ฐานข้อมูลคลัสเตอร์เคมบริดจ์ "
  • Slosar, A.; Podgornik, R. (2006). "เกี่ยวกับปัญหา Thomson ของประจุที่เชื่อมต่อกัน". Europhys. Lett . 75 (4): 631. arXiv : cond-mat/0606765 . Bibcode : 2006EL.....75..631S . doi : 10.1209/epl/i2006-10146-1 . S2CID  119005054 .
  • Cohn, Henry; Kumar, Abhinav (2007). "การกระจายจุดบนทรงกลมที่เหมาะสมที่สุดโดยทั่วไป". J. Amer. Math. Soc . 20 (1): 99– 148. arXiv : math/0607446 . Bibcode : 2007JAMS...20...99C . doi : 10.1090/S0894-0347-06-00546-7 . S2CID  26614691 .
  • Wales, DJ; McKay, H.; Altschuler, EL (2009). "รูปแบบข้อบกพร่องสำหรับโทโพโลยีทรงกลม" Phys. Rev. B . 79 (22) 224115. Bibcode : 2009PhRvB..79v4115W . doi : 10.1103/PhysRevB.79.224115 .การกำหนดค่าต่างๆ ได้ถูกนำมาแสดงซ้ำในWales, DJ; Ulker, S. "ฐานข้อมูลคลัสเตอร์เคมบริดจ์ "
  • Ridgway, WJM; Cheviakov, AF (2018). "กระบวนการวนซ้ำเพื่อค้นหาการจัดเรียงอนุภาคที่เหมาะสมที่สุดทั้งในระดับท้องถิ่นและระดับโลกบนทรงกลมหน่วย" Comput. Phys. Commun . 233 : 84–109 . Bibcode : 2018CoPhC.233...84R . doi : 10.1016/j.cpc.2018.03.029 . S2CID  52097788 .
  • Cecka, Cris; Bowick, Mark J.; Middleton, Alan A. "ปัญหาของ Thomson ที่ SU"เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2018-04-09 เรียกดูเมื่อ2009-11-24
  • เว็บเพจนี้มีข้อมูลการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำที่สุดเท่าที่ทราบอีกมากมาย: https://www.hars.us
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Thomson_problem&oldid=1351826974 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ปัญหาของทอมสัน

วัตถุประสงค์ของปัญหาทอมสันคือการกำหนด โครงสร้าง พลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิต ขั้นต่ำ ของอิเล็กตรอนN ตัว...

ข้อความทางคณิตศาสตร์

พลังงานอันตรกิริยาทางไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กตรอนแต่ละคู่ที่มีประจุเท่ากัน ( โดยมีประจุ พื้นฐาน ของอิเล็กตรอน) เป็นไปตาม กฎของคูลอม บ์ อี ฉัน = อี เจ = อี {\displaystyle e_{i}=e_{j}=e} อี {\displaystyle e}

ตัวอย่าง

คำตอบของปัญหาทอมสันสำหรับอิเล็กตรอนสองตัวนั้นได้มาเมื่ออิเล็กตรอนทั้งสองอยู่ห่างกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยอยู่คนละด้านของจุดกำเนิดหรือ ร ฉัน เจ = 2 ร = 2 {\displaystyle r_{ij}=2r=2}

ทราบคำตอบที่แน่นอนแล้ว

มีการระบุโครงสร้างที่มีพลังงานต่ำสุดที่ถูกต้องแม่นยำทางคณิตศาสตร์อย่างเข้มงวดในกรณีเพียงไม่กี่กรณีเท่านั้น