Problema de Thomson

El objetivo del problema de Thomson es determinar la configuración de energía potencial electrostática mínima de N electrones restringidos a la superficie de una esfera unitaria que se repelen entre sí con una fuerza dada por la Ley de Coulomb, el físico J. J. Thomson planteó el problema en 1904[1]​ después de proponer un modelo atómico, más tarde llamado modelo atómico de Thomson basado en su conocimiento de la existencia de electrones cargados negativamente dentro de átomos con carga neutra.

Los problemas relacionados incluyen el estudio de la geometría de la configuración de energía mínima y el estudio del comportamiento de N grande de la energía mínima.

Enunciado matemático

El sistema físico incorporado por el problema de Thomson es un caso especial de uno de los dieciocho problemas matemáticos no resueltos propuestos por el matemático Steve Smale - "Distribución de puntos en las 2-esferas".[2]​ La solución de cada problema de N-electrón se obtiene cuando la configuración de N-electrón restringida a la superficie de una esfera de radio unidad, r = 1 {\displaystyle r=1} , produce un mínimo de energía potencial electrostática global, U ( N ) {\displaystyle U(N)} .

La energía de interacción electrostática que se produce entre cada par de electrones de cargas iguales ( e i = e j = e {\displaystyle e_{i}=e_{j}=e} , con e {\displaystyle e} la carga eléctrica de un electrón) está dada por la Ley de Coulomb,

U i j ( N ) = k e e i e j r i j . {\displaystyle U_{ij}(N)=k_{e}{e_{i}e_{j} \over r_{ij}}.}

Aquí, k e {\displaystyle k_{e}} es la constante de Coulomb y r i j = | r i − r j | {\displaystyle r_{ij}=|\mathbf {r} _{i}-\mathbf {r} _{j}|} es la distancia entre cada par de electrones localizados en los puntos de la esfera definidos por vectores r i {\displaystyle \mathbf {r} _{i}} and r j {\displaystyle \mathbf {r} _{j}} respectivamente.

Las unidades simplificadas de e = 1 {\displaystyle e=1} and k e = 1 {\displaystyle k_{e}=1} se usan sin pérdida de generalidad. Entonces,

U i j ( N ) = 1 r i j . {\displaystyle U_{ij}(N)={1 \over r_{ij}}.}

La energía potencial electrostática total de cada configuración de N-electrón se puede expresar como la suma de todas las interacciones por pares

U ( N ) = ∑ i < j 1 r i j . {\displaystyle U(N)=\sum _{i<j}{\frac {1}{r_{ij}}}.}

La minimización global de U ( N ) {\displaystyle U(N)} sobre todas las colecciones posibles de N puntos distintos se encuentra típicamente mediante algoritmos de minimización numérica.

Ejemplo

La solución del problema de Thomson para dos electrones se obtiene cuando ambos electrones están lo más separados posible en lados opuestos del origen, r i j = 2 r = 2 {\displaystyle r_{ij}=2r=2} , o

U ( 2 ) = 1 2 . {\displaystyle U(2)={1 \over 2}.}

Soluciones conocidas

Las configuraciones mínimas de energía han sido rigurosamente identificadas en solo unos pocos casos.

  • Para N = 1, la solución es trivial ya que el electrón puede residir en cualquier punto de la superficie de la esfera de la unidad. La energía total de la configuración se define como cero ya que el electrón no está sujeto al campo eléctrico debido a otras fuentes de carga.
  • Para N = 2, la configuración óptima consiste en electrones en puntos antipodales.
  • Para N = 3, los electrones residen en los vértices de un triángulo equilátero alrededor de un gran círculo.[3]​
  • Para N = 4, los electrones residen en los vértices de un tetraedro regular.
  • Para N = 5, una solución matemáticamente rigurosa asistida por computadora se informó en 2010 con electrones que residen en los vértices de una bipirámide triangular.[4]​
  • Para N = 6, los electrones residen en vértices de un octaedro regular.[5]​
  • Para N = 12, los electrones residen en los vértices de un icosaedro regular.[6]​

En particular, las soluciones geométricas del problema de Thomson para N = 4, 6 y 12 electrones se conocen como sólidos platónicos cuyas caras son todos triángulos equiláteros congruentes, las soluciones numéricas para N = 8 y 20 no son las configuraciones poliédricas convexas regulares de los dos sólidos platónicos restantes, cuyas caras son cuadradas y pentagonales, respectivamente.

Generalizaciones

También se puede pedir para los estados de fondo de las partículas interactúen con potenciales arbitrarios, para ser matemáticamente preciso, deje que f sea una función de valor real decreciente y defina la energía funcional. ∑ i < j f ( | x i − x j | ) {\displaystyle \sum _{i<j}f(|x_{i}-x_{j}|)}

Tradicionalmente, se considera f ( x ) = x − α {\displaystyle f(x)=x^{-\alpha }} también conocido como Riesz α {\displaystyle \alpha } -kernels. Para los kernels integrales de Riesz,[7]​ ver; para los kernels de Riesz no integrables, se cumple el teorema de bagel de semilla de amapola, ver.[8]​ Los casos notables incluyen α = ∞, el problema de Tammes (embalaje); α = 1, el problema de Thomson; α = 0, el problema de Whyte (para maximizar el producto de las distancias).

También se pueden considerar configuraciones de N puntos en una esfera de mayor dimensión. Ver diseño esférico.

Relaciones con otros problemas científicos

"Ningún hecho descubierto sobre el átomo puede ser trivial, ni puede acelerar el progreso de la ciencia física, ya que la mayor parte de la filosofía natural es el resultado de la estructura y el mecanismo del átomo."
——Sn. J. J. Thomson[9]​

El problema de Thomson es una consecuencia natural del modelo atómico de Thomson en ausencia de su carga de fondo positiva uniforme.[10]​

Aunque la evidencia experimental llevó al abandono del modelo de pudín de ciruela de Thomson como un modelo atómico completo, las irregularidades observadas en soluciones energéticas numéricas del problema de Thomson se han encontrado para corresponderse con el llenado de capas de electrones en átomos naturales en toda la tabla periódica de los elementos.[11]​

El problema de Thomson también desempeña un papel en el estudio de otros modelos físicos, incluidas las burbujas multielectrópicas y el ordenamiento superficial de gotas metálicas líquidas confinadas en trampas Paul.

El problema generalizado de Thomson surge, por ejemplo, para determinar las disposiciones de las subunidades proteicas que comprenden las capas de virus esféricos.[12]​ Las "partículas" en esta aplicación son agrupaciones de subunidades de proteínas dispuestas en un caparazón, otras realizaciones incluyen arreglos regulares de partículas coloidales en colloidosomas, propuestas para la encapsulación de ingredientes activos tales como fármacos, nutrientes o células vivas, patrones de fullerenos de átomos de carbono y la teoría TRePEV. Un ejemplo con interacciones logarítmicas de largo alcance es provisto por los vórtices Abrikosov que se formarían a bajas temperaturas en una capa metálica superconductora con un gran monopolo en el centro.

Configuraciones de la energía conocida más pequeña

En la siguiente tabla N {\displaystyle N} es el número de puntos (cargas) en una configuración, E 1 {\displaystyle E_{1}} es la energía, el tipo de simetría se da en notación Schönflies (ver Grupos de puntos en tres dimensiones), y r i {\displaystyle r_{i}} son las posiciones de los cargos. La mayoría de los tipos de simetría requieren que la suma vectorial de las posiciones (y, por lo tanto, el momento dipolar químico) sea cero.

Es costumbre considerar también el poliedro formado por la envolvente convexa de los puntos, por lo tanto, v i {\displaystyle v_{i}} es el número de vértices donde el número dado de bordes se encuentra, ' e {\displaystyle e} es el número total de bordes, f 3 {\displaystyle f_{3}} es el número de caras triangulares, f 4 {\displaystyle f_{4}} es el número de cuadriláteros caras y θ 1 {\displaystyle \theta _{1}} es el ángulo más pequeño subtendido por vectores asociados con el par de carga más cercano. Tenga en cuenta que las longitudes de los bordes generalmente no son iguales; por lo tanto (excepto en los casos N = 4, 6, 12, 24) la envolvente convexa es topológicamente equivalente al poliedro uniforme o al sólido de Johnson listado en la última columna.[12]​

N E 1 {\displaystyle E_{1}} Simetría | ∑ r i | {\displaystyle \left|\sum \mathbf {r} _{i}\right|} v 3 {\displaystyle v_{3}} v 4 {\displaystyle v_{4}} v 5 {\displaystyle v_{5}} v 6 {\displaystyle v_{6}} v 7 {\displaystyle v_{7}} v 8 {\displaystyle v_{8}} e {\displaystyle e} f 3 {\displaystyle f_{3}} f 4 {\displaystyle f_{4}} θ 1 {\displaystyle \theta _{1}} Poliedro equivalente
2 0.500000000 D ∞ h {\displaystyle D_{\infty h}} 0 – – – – – – 1 – – 180.000° [1] Digone
3 1.732050808 D 3 h {\displaystyle D_{3h}} 0 – – – – – – 3 1 – 120.000° [2] Triángulo
4 3.674234614 T d {\displaystyle T_{d}} 0 4 0 0 0 0 0 6 4 0 109.471° [3] Tetraedro
5 6.474691495 D 3 h {\displaystyle D_{3h}} 0 2 3 0 0 0 0 9 6 0 90.000° Bipirámide triangular
6 9.985281374 O h {\displaystyle O_{h}} 0 0 6 0 0 0 0 12 8 0 90.000° Octaedro
7 14.452977414 D 5 h {\displaystyle D_{5h}} 0 0 5 2 0 0 0 15 10 0 72.000° Bipirámide pentagonal
8 19.675287861 D 4 d {\displaystyle D_{4d}} 0 0 8 0 0 0 0 16 8 2 71.694° Antiprisma cuadrado
9 25.759986531 D 3 h {\displaystyle D_{3h}} 0 0 3 6 0 0 0 21 14 0 69.190° Prisma triangular triaumentado
10 32.716949460 D 4 d {\displaystyle D_{4d}} 0 0 2 8 0 0 0 24 16 0 64.996° Bipirámide cuadrada giroelongada
11 40.596450510 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.013219635 0 2 8 1 0 0 27 18 0 58.540° [4] Icosaedro con borde cerrado
12 49.165253058 I h {\displaystyle I_{h}} 0 0 0 12 0 0 0 30 20 0 63.435° Icosaedro
13 58.853230612 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.008820367 0 1 10 2 0 0 33 22 0 52.317°
14 69.306363297 D 6 d {\displaystyle D_{6d}} 0 0 0 12 2 0 0 36 24 0 52.866° Dipyramid hexagonal giroelongado
15 80.670244114 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 3 0 0 39 26 0 49.225°
16 92.911655302 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 4 0 0 42 28 0 48.936°
17 106.050404829 D 5 h {\displaystyle D_{5h}} 0 0 0 12 5 0 0 45 30 0 50.108°
18 120.084467447 D 4 d {\displaystyle D_{4d}} 0 0 2 8 8 0 0 48 32 0 47.534°
19 135.089467557 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.000135163 0 0 14 5 0 0 50 32 1 44.910°
20 150.881568334 D 3 h {\displaystyle D_{3h}} 0 0 0 12 8 0 0 54 36 0 46.093°
21 167.641622399 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.001406124 0 1 10 10 0 0 57 38 0 44.321°
22 185.287536149 T d {\displaystyle T_{d}} 0 0 0 12 10 0 0 60 40 0 43.302°
23 203.930190663 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 11 0 0 63 42 0 41.481°
24 223.347074052 O {\displaystyle O} 0 0 0 24 0 0 0 60 32 6 42.065° Cubo romo
25 243.812760299 C s {\displaystyle C_{s}} 0.001021305 0 0 14 11 0 0 68 44 1 39.610°
26 265.133326317 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.001919065 0 0 12 14 0 0 72 48 0 38.842°
27 287.302615033 D 5 h {\displaystyle D_{5h}} 0 0 0 12 15 0 0 75 50 0 39.940°
28 310.491542358 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 16 0 0 78 52 0 37.824°
29 334.634439920 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 17 0 0 81 54 0 36.391°
30 359.603945904 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 18 0 0 84 56 0 36.942°
31 385.530838063 C 3 v {\displaystyle C_{3v}} 0.003204712 0 0 12 19 0 0 87 58 0 36.373°
32 412.261274651 I h {\displaystyle I_{h}} 0 0 0 12 20 0 0 90 60 0 37.377°
33 440.204057448 C s {\displaystyle C_{s}} 0.004356481 0 0 15 17 1 0 92 60 1 33.700°
34 468.904853281 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 22 0 0 96 64 0 33.273°
35 498.569872491 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000419208 0 0 12 23 0 0 99 66 0 33.100°
36 529.122408375 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 24 0 0 102 68 0 33.229°
37 560.618887731 D 5 h {\displaystyle D_{5h}} 0 0 0 12 25 0 0 105 70 0 32.332°
38 593.038503566 D 6 d {\displaystyle D_{6d}} 0 0 0 12 26 0 0 108 72 0 33.236°
39 626.389009017 D 3 h {\displaystyle D_{3h}} 0 0 0 12 27 0 0 111 74 0 32.053°
40 660.675278835 T d {\displaystyle T_{d}} 0 0 0 12 28 0 0 114 76 0 31.916°
41 695.916744342 D 3 h {\displaystyle D_{3h}} 0 0 0 12 29 0 0 117 78 0 31.528°
42 732.078107544 D 5 h {\displaystyle D_{5h}} 0 0 0 12 30 0 0 120 80 0 31.245°
43 769.190846459 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.000399668 0 0 12 31 0 0 123 82 0 30.867°
44 807.174263085 O h {\displaystyle O_{h}} 0 0 0 24 20 0 0 120 72 6 31.258°
45 846.188401061 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 33 0 0 129 86 0 30.207°
46 886.167113639 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 34 0 0 132 88 0 29.790°
47 927.059270680 C s {\displaystyle C_{s}} 0.002482914 0 0 14 33 0 0 134 88 1 28.787°
48 968.713455344 O {\displaystyle O} 0 0 0 24 24 0 0 132 80 6 29.690°
49 1011.557182654 C 3 {\displaystyle C_{3}} 0.001529341 0 0 12 37 0 0 141 94 0 28.387°
50 1055.182314726 D 6 d {\displaystyle D_{6d}} 0 0 0 12 38 0 0 144 96 0 29.231°
51 1099.819290319 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 39 0 0 147 98 0 28.165°
52 1145.418964319 C 3 {\displaystyle C_{3}} 0.000457327 0 0 12 40 0 0 150 100 0 27.670°
53 1191.922290416 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.000278469 0 0 18 35 0 0 150 96 3 27.137°
54 1239.361474729 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000137870 0 0 12 42 0 0 156 104 0 27.030°
55 1287.772720783 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000391696 0 0 12 43 0 0 159 106 0 26.615°
56 1337.094945276 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 44 0 0 162 108 0 26.683°
57 1387.383229253 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 45 0 0 165 110 0 26.702°
58 1438.618250640 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 46 0 0 168 112 0 26.155°
59 1490.773335279 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000154286 0 0 14 43 2 0 171 114 0 26.170°
60 1543.830400976 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 48 0 0 174 116 0 25.958°
61 1597.941830199 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.001091717 0 0 12 49 0 0 177 118 0 25.392°
62 1652.909409898 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 50 0 0 180 120 0 25.880°
63 1708.879681503 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 51 0 0 183 122 0 25.257°
64 1765.802577927 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 52 0 0 186 124 0 24.920°
65 1823.667960264 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000399515 0 0 12 53 0 0 189 126 0 24.527°
66 1882.441525304 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000776245 0 0 12 54 0 0 192 128 0 24.765°
67 1942.122700406 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 55 0 0 195 130 0 24.727°
68 2002.874701749 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 56 0 0 198 132 0 24.433°
69 2064.533483235 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 57 0 0 201 134 0 24.137°
70 2127.100901551 D 2 d {\displaystyle D_{2d}} 0 0 0 12 50 0 0 200 128 4 24.291°
71 2190.649906425 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.001256769 0 0 14 55 2 0 207 138 0 23.803°
72 2255.001190975 I {\displaystyle I} 0 0 0 12 60 0 0 210 140 0 24.492°
73 2320.633883745 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.001572959 0 0 12 61 0 0 213 142 0 22.810°
74 2387.072981838 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000641539 0 0 12 62 0 0 216 144 0 22.966°
75 2454.369689040 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 63 0 0 219 146 0 22.736°
76 2522.674871841 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000943474 0 0 12 64 0 0 222 148 0 22.886°
77 2591.850152354 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 65 0 0 225 150 0 23.286°
78 2662.046474566 T h {\displaystyle T_{h}} 0 0 0 12 66 0 0 228 152 0 23.426°
79 2733.248357479 C s {\displaystyle C_{s}} 0.000702921 0 0 12 63 1 0 230 152 1 22.636°
80 2805.355875981 D 4 d {\displaystyle D_{4d}} 0 0 0 16 64 0 0 232 152 2 22.778°
81 2878.522829664 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000194289 0 0 12 69 0 0 237 158 0 21.892°
82 2952.569675286 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 70 0 0 240 160 0 22.206°
83 3027.528488921 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000339815 0 0 14 67 2 0 243 162 0 21.646°
84 3103.465124431 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000401973 0 0 12 72 0 0 246 164 0 21.513°
85 3180.361442939 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000416581 0 0 12 73 0 0 249 166 0 21.498°
86 3258.211605713 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.001378932 0 0 12 74 0 0 252 168 0 21.522°
87 3337.000750014 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000754863 0 0 12 75 0 0 255 170 0 21.456°
88 3416.720196758 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 76 0 0 258 172 0 21.486°
89 3497.439018625 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000070891 0 0 12 77 0 0 261 174 0 21.182°
90 3579.091222723 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 78 0 0 264 176 0 21.230°
91 3661.713699320 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000033221 0 0 12 79 0 0 267 178 0 21.105°
92 3745.291636241 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 80 0 0 270 180 0 21.026°
93 3829.844338421 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000213246 0 0 12 81 0 0 273 182 0 20.751°
94 3915.309269620 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 82 0 0 276 184 0 20.952°
95 4001.771675565 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000116638 0 0 12 83 0 0 279 186 0 20.711°
96 4089.154010060 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000036310 0 0 12 84 0 0 282 188 0 20.687°
97 4177.533599622 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000096437 0 0 12 85 0 0 285 190 0 20.450°
98 4266.822464156 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000112916 0 0 12 86 0 0 288 192 0 20.422°
99 4357.139163132 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000156508 0 0 12 87 0 0 291 194 0 20.284°
100 4448.350634331 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 88 0 0 294 196 0 20.297°
101 4540.590051694 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 89 0 0 297 198 0 20.011°
102 4633.736565899 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 90 0 0 300 200 0 20.040°
103 4727.836616833 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000201245 0 0 12 91 0 0 303 202 0 19.907°
104 4822.876522746 D 6 {\displaystyle D_{6}} 0 0 0 12 92 0 0 306 204 0 19.957°
105 4919.000637616 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 93 0 0 309 206 0 19.842°
106 5015.984595705 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 94 0 0 312 208 0 19.658°
107 5113.953547724 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000064137 0 0 12 95 0 0 315 210 0 19.327°
108 5212.813507831 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000432525 0 0 12 96 0 0 318 212 0 19.327°
109 5312.735079920 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000647299 0 0 14 93 2 0 321 214 0 19.103°
110 5413.549294192 D 6 {\displaystyle D_{6}} 0 0 0 12 98 0 0 324 216 0 19.476°
111 5515.293214587 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 99 0 0 327 218 0 19.255°
112 5618.044882327 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 100 0 0 330 220 0 19.351°
113 5721.824978027 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 101 0 0 333 222 0 18.978°
114 5826.521572163 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000149772 0 0 12 102 0 0 336 224 0 18.836°
115 5932.181285777 C 3 {\displaystyle C_{3}} 0.000049972 0 0 12 103 0 0 339 226 0 18.458°
116 6038.815593579 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000259726 0 0 12 104 0 0 342 228 0 18.386°
117 6146.342446579 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000127609 0 0 12 105 0 0 345 230 0 18.566°
118 6254.877027790 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000332475 0 0 12 106 0 0 348 232 0 18.455°
119 6364.347317479 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000685590 0 0 12 107 0 0 351 234 0 18.336°
120 6474.756324980 C s {\displaystyle C_{s}} 0.001373062 0 0 12 108 0 0 354 236 0 18.418°
121 6586.121949584 C 3 {\displaystyle C_{3}} 0.000838863 0 0 12 109 0 0 357 238 0 18.199°
122 6698.374499261 I h {\displaystyle I_{h}} 0 0 0 12 110 0 0 360 240 0 18.612°
123 6811.827228174 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.001939754 0 0 14 107 2 0 363 242 0 17.840°
124 6926.169974193 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 112 0 0 366 244 0 18.111°
125 7041.473264023 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000088274 0 0 12 113 0 0 369 246 0 17.867°
126 7157.669224867 D 4 {\displaystyle D_{4}} 0 0 2 16 100 8 0 372 248 0 17.920°
127 7274.819504675 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 115 0 0 375 250 0 17.877°
128 7393.007443068 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000054132 0 0 12 116 0 0 378 252 0 17.814°
129 7512.107319268 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000030099 0 0 12 117 0 0 381 254 0 17.743°
130 7632.167378912 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000025622 0 0 12 118 0 0 384 256 0 17.683°
131 7753.205166941 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000305133 0 0 12 119 0 0 387 258 0 17.511°
132 7875.045342797 I {\displaystyle I} 0 0 0 12 120 0 0 390 260 0 17.958°
133 7998.179212898 C 3 {\displaystyle C_{3}} 0.000591438 0 0 12 121 0 0 393 262 0 17.133°
134 8122.089721194 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000470268 0 0 12 122 0 0 396 264 0 17.214°
135 8246.909486992 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 123 0 0 399 266 0 17.431°
136 8372.743302539 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 124 0 0 402 268 0 17.485°
137 8499.534494782 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 125 0 0 405 270 0 17.560°
138 8627.406389880 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000473576 0 0 12 126 0 0 408 272 0 16.924°
139 8756.227056057 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000404228 0 0 12 127 0 0 411 274 0 16.673°
140 8885.980609041 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000630351 0 0 13 126 1 0 414 276 0 16.773°
141 9016.615349190 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.000376365 0 0 14 126 0 1 417 278 0 16.962°
142 9148.271579993 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000550138 0 0 12 130 0 0 420 280 0 16.840°
143 9280.839851192 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000255449 0 0 12 131 0 0 423 282 0 16.782°
144 9414.371794460 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 132 0 0 426 284 0 16.953°
145 9548.928837232 C s {\displaystyle C_{s}} 0.000094938 0 0 12 133 0 0 429 286 0 16.841°
146 9684.381825575 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 134 0 0 432 288 0 16.905°
147 9820.932378373 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000636651 0 0 12 135 0 0 435 290 0 16.458°
148 9958.406004270 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000203701 0 0 12 136 0 0 438 292 0 16.627°
149 10096.859907397 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000638186 0 0 14 133 2 0 441 294 0 16.344°
150 10236.196436701 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 138 0 0 444 296 0 16.405°
151 10376.571469275 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000153836 0 0 12 139 0 0 447 298 0 16.163°
152 10517.867592878 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 140 0 0 450 300 0 16.117°
153 10660.082748237 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 141 0 0 453 302 0 16.390°
154 10803.372421141 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000735800 0 0 12 142 0 0 456 304 0 16.078°
155 10947.574692279 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000603670 0 0 12 143 0 0 459 306 0 15.990°
156 11092.798311456 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000508534 0 0 12 144 0 0 462 308 0 15.822°
157 11238.903041156 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000357679 0 0 12 145 0 0 465 310 0 15.948°
158 11385.990186197 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000921918 0 0 12 146 0 0 468 312 0 15.987°
159 11534.023960956 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000381457 0 0 12 147 0 0 471 314 0 15.960°
160 11683.054805549 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 148 0 0 474 316 0 15.961°
161 11833.084739465 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000056447 0 0 12 149 0 0 477 318 0 15.810°
162 11984.050335814 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 150 0 0 480 320 0 15.813°
163 12136.013053220 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000120798 0 0 12 151 0 0 483 322 0 15.675°
164 12288.930105320 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 152 0 0 486 324 0 15.655°
165 12442.804451373 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000091119 0 0 12 153 0 0 489 326 0 15.651°
166 12597.649071323 D 2 d {\displaystyle D_{2d}} 0 0 0 16 146 4 0 492 328 0 15.607°
167 12753.469429750 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000097382 0 0 12 155 0 0 495 330 0 15.600°
168 12910.212672268 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 156 0 0 498 332 0 15.655°
169 13068.006451127 C s {\displaystyle C_{s}} 0.000068102 0 0 13 155 1 0 501 334 0 15.537°
170 13226.681078541 D 2 d {\displaystyle D_{2d}} 0 0 0 12 158 0 0 504 336 0 15.569°
171 13386.355930717 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 159 0 0 507 338 0 15.497°
172 13547.018108787 C 2 v {\displaystyle C_{2v}} 0.000547291 0 0 14 156 2 0 510 340 0 15.292°
173 13708.635243034 C s {\displaystyle C_{s}} 0.000286544 0 0 12 161 0 0 513 342 0 15.225°
174 13871.187092292 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 162 0 0 516 344 0 15.366°
175 14034.781306929 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000026686 0 0 12 163 0 0 519 346 0 15.252°
176 14199.354775632 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000283978 0 0 12 164 0 0 522 348 0 15.101°
177 14364.837545298 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 165 0 0 525 350 0 15.269°
178 14531.309552587 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 166 0 0 528 352 0 15.145°
179 14698.754594220 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000125113 0 0 13 165 1 0 531 354 0 14.968°
180 14867.099927525 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 168 0 0 534 356 0 15.067°
181 15036.467239769 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000304193 0 0 12 169 0 0 537 358 0 15.002°
182 15206.730610906 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 170 0 0 540 360 0 15.155°
183 15378.166571028 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000467899 0 0 12 171 0 0 543 362 0 14.747°
184 15550.421450311 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 172 0 0 546 364 0 14.932°
185 15723.720074072 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000389762 0 0 12 173 0 0 549 366 0 14.775°
186 15897.897437048 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000389762 0 0 12 174 0 0 552 368 0 14.739°
187 16072.975186320 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 175 0 0 555 370 0 14.848°
188 16249.222678879 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 176 0 0 558 372 0 14.740°
189 16426.371938862 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000020732 0 0 12 177 0 0 561 374 0 14.671°
190 16604.428338501 C 3 {\displaystyle C_{3}} 0.000586804 0 0 12 178 0 0 564 376 0 14.501°
191 16783.452219362 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.001129202 0 0 13 177 1 0 567 378 0 14.195°
192 16963.338386460 I {\displaystyle I} 0 0 0 12 180 0 0 570 380 0 14.819°
193 17144.564740880 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000985192 0 0 12 181 0 0 573 382 0 14.144°
194 17326.616136471 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000322358 0 0 12 182 0 0 576 384 0 14.350°
195 17509.489303930 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 183 0 0 579 386 0 14.375°
196 17693.460548082 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000315907 0 0 12 184 0 0 582 388 0 14.251°
197 17878.340162571 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 185 0 0 585 390 0 14.147°
198 18064.262177195 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000011149 0 0 12 186 0 0 588 392 0 14.237°
199 18251.082495640 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.000534779 0 0 12 187 0 0 591 394 0 14.153°
200 18438.842717530 D 2 {\displaystyle D_{2}} 0 0 0 12 188 0 0 594 396 0 14.222°
201 18627.591226244 C 1 {\displaystyle C_{1}} 0.001048859 0 0 13 187 1 0 597 398 0 13.830°
202 18817.204718262 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 190 0 0 600 400 0 14.189°
203 19007.981204580 C s {\displaystyle C_{s}} 0.000600343 0 0 12 191 0 0 603 402 0 13.977°
204 19199.540775603 T h {\displaystyle T_{h}} 0 0 0 12 192 0 0 606 404 0 14.291°
212 20768.053085964 I {\displaystyle I} 0 0 0 12 200 0 0 630 420 0 14.118°
214 21169.910410375 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 202 0 0 636 424 0 13.771°
216 21575.596377869 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 204 0 0 642 428 0 13.735°
217 21779.856080418 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 205 0 0 645 430 0 13.902°
232 24961.252318934 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 220 0 0 690 460 0 13.260°
255 30264.424251281 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 243 0 0 759 506 0 12.565°
256 30506.687515847 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 244 0 0 762 508 0 12.572°
257 30749.941417346 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 245 0 0 765 510 0 12.672°
272 34515.193292681 I h {\displaystyle I_{h}} 0 0 0 12 260 0 0 810 540 0 12.335°
282 37147.294418462 I {\displaystyle I} 0 0 0 12 270 0 0 840 560 0 12.166°
292 39877.008012909 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 280 0 0 870 580 0 11.857°
306 43862.569780797 T h {\displaystyle T_{h}} 0 0 0 12 294 0 0 912 608 0 11.628°
312 45629.313804002 C 2 {\displaystyle C_{2}} 0.000306163 0 0 12 300 0 0 930 620 0 11.299°
315 46525.825643432 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 303 0 0 939 626 0 11.337°
317 47128.310344520 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 305 0 0 945 630 0 11.423°
318 47431.056020043 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 12 306 0 0 948 632 0 11.219°
334 52407.728127822 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 322 0 0 996 664 0 11.058°
348 56967.472454334 T h {\displaystyle T_{h}} 0 0 0 12 336 0 0 1038 692 0 10.721°
357 59999.922939598 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 345 0 0 1065 710 0 10.728°
358 60341.830924588 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 346 0 0 1068 712 0 10.647°
372 65230.027122557 I {\displaystyle I} 0 0 0 12 360 0 0 1110 740 0 10.531°
382 68839.426839215 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 370 0 0 1140 760 0 10.379°
390 71797.035335953 T h {\displaystyle T_{h}} 0 0 0 12 378 0 0 1164 776 0 10.222°
392 72546.258370889 I {\displaystyle I} 0 0 0 12 380 0 0 1170 780 0 10.278°
400 75582.448512213 T {\displaystyle T} 0 0 0 12 388 0 0 1194 796 0 10.068°
402 76351.192432673 D 5 {\displaystyle D_{5}} 0 0 0 12 390 0 0 1200 800 0 10.099°
432 88353.709681956 D 3 {\displaystyle D_{3}} 0 0 0 24 396 12 0 1290 860 0 9.556°
448 95115.546986209 T {\displaystyle T} 0 0 0 24 412 12 0 1338 892 0 9.322°
460 100351.763108673 T {\displaystyle T} 0 0 0 24 424 12 0 1374 916 0 9.297°
468 103920.871715127 S 6 {\displaystyle S_{6}} 0 0 0 24 432 12 0 1398 932 0 9.120°
470 104822.886324279 S 6 {\displaystyle S_{6}} 0 0 0 24 434 12 0 1404 936 0 9.059°

Según una conjetura, si m = n + 2 {\displaystyle m=n+2} p es el poliedro formado por la envolvente convexa de m puntos, q es el número de caras cuadrilaterales de p, entonces la solución para m electrones es f(m): f ( m ) = 0 n + 3 n − q {\displaystyle f(m)=0^{n}+3n-q} [13]​

Referencias

  1. ↑ Thomson, Joseph John (March 1904). "On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure" (PDF). Philosophical Magazine. Series 6. 7 (39): 237–265. Archived from the original (PDF) on 13 December 2013.
  2. ↑ Smale, S. (1998). "Mathematical Problems for the Next Century". Mathematical Intelligencer. 20 (2): 7–15. CiteSeerX 10.1.1.35.4101. doi:10.1007/bf03025291.
  3. ↑ L. Foppl, "Stabile anordnungen von elektronen im atom", J. Reine Angew. Math., 141 (1912), 251–301.
  4. ↑ https://arxiv.org/abs/1001.3702
  5. ↑ V.A. Yudin, "The minimum of potential energy of a system of point charges", Discretnaya Matematika 4(2) (1992), 115–121 (in Russian); Discrete Math. Appl., 3(1) (1993), 75–81
  6. ↑ N.N. Andreev, "An extremal property of the icosahedron", East J. Approximation, 2(4) (1996), 459–462, MR1426716, Zbl 0877.51021
  7. ↑ Landkof, N. S. Foundations of modern potential theory. Translated from the Russian by A. P. Doohovskoy. Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften, Band 180. Springer-Verlag, New York-Heidelberg, 1972. x+424 pp.
  8. ↑ Hardin, D. P.; Saff, E. B. Discretizing manifolds via minimum energy points. Notices Amer. Math. Soc. 51 (2004), no. 10, 1186–1194
  9. ↑ Sir J.J. Thomson, The Romanes Lecture, 1914 (The Atomic Theory)
  10. ↑ Y. Levin and J. J. Arenzon, ``Why charges go to the Surface: A generalized Thomson Problem Europhys. Lett. Vol. 63 p. 415 (2003)
  11. ↑ LaFave Jr, Tim (December 2013). "Correspondences between the classical electrostatic Thomson problem and atomic electronic structure" (PDF). Journal of Electrostatics. 71 (6): 1029–1035. doi:10.1016/j.elstat.2013.10.001. Retrieved 10 Feb 2014.
  12. ↑ a b Y. Levin and J. J. Arenzon, ``Why charges go to the Surface: A generalized Thomson Problem Europhys. Lett. Vol. 63 p. 415 (2003)
  13. ↑ "Sloane's A008486 (see the comment from Feb 03 2017)". The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences. OEIS Foundation. Retrieved 2017-02-08.

Notas

  • Henry Cohn and Abhinav Kumar, "Universally optimal distribution of points on spheres". J. Amer. Math. Soc. 20 (2007), no. 1, 99–148
  • Cris Cecka, Mark J. Bowick, and Alan A. Middleton: http://thomson.phy.syr.edu/ Archivado el 9 de abril de 2018 en Wayback Machine.
  • T. Erber and G. M. Hockney, "Complex Systems: Equilibrium Configurations of N {\displaystyle N} Equal Charges on a Sphere ( 2 ≤ N ≤ 112 ) {\displaystyle (2\leq N\leq 112)} ", Advances in Chemical Physics, Volume 98, pp. 495–594, 1997.
  • P. D. Dragnev, D. A. Legg, and D. W. Townsend, "Discrete logarithmic energy on the sphere". Pacific J. Math. 207 (2002), no. 2, 345–358.
  • David J. Wales and Sidika Ulker: http://www-wales.ch.cam.ac.uk/~wales/CCD/Thomson/table.html and also http://www-wales.ch.cam.ac.uk/~wales/CCD/Thomson2/table.html
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