Thomson-Problem

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Beim Thomson-Problem sollen n Elektronen so auf der Oberfläche einer Einheitskugel verteilt werden, dass das gesamte elektrostatische Potential, das sich durch die Coulombkraft einstellt, sein Minimum annimmt. Der Physiker Joseph John Thomson formulierte dieses Problem 1904, nachdem er sein Atommodell entwickelte.

Mathematische Beschreibung[Bearbeiten]

Das elektrostatische Potential U(N), das zwischen zwei Elektronen entsteht, kann mit dem coulombschen Gesetz beschrieben werden.

U_{ij}(N)=k_e{e_i e_j \over r_{ij}}.

Dabei sind e_i und e_j die Ladungen der Elektronen, k_e ist die Coulombkonstante (gegeben durch  \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}) und r_{ij}=|\mathbf{r}_i - \mathbf{r}_j| ist der Abstand der beiden Elektronen zueinander. Zur Vereinfachung des Problems können e_i=e_j=1 und k_e=1 gesetzt werden.

Bei einer Konfiguration von N Elektronen stellt sich dann das Potential

U(N) = \sum_{i < j} \frac{1}{r_{ij}}.

ein. Ziel ist es nun, diejenige Form zu finden, bei der dieses Gesamtpotential ein Minimum annimmt. Das Finden einer Lösung geschieht meist durch numerische Verfahren.

Bekannte Lösungen[Bearbeiten]

  • N=1: Für nur ein einziges Elektron ist die Lösung trivial, da sich, egal wo sich das Elektron auf der Kugeloberfläche befindet, immer dasselbe Potential einstellt.
  • N=2: Bei zwei Elektronen ist das Potentialminimum dann vorhanden, wenn sie sich diametral gegenüber befinden (z. B. Nord- und Südpol).
  • N=3: Bei drei Elektronen bildet die Konfiguration ein gleichseitiges Dreieck auf einem Großkreis der Kugel.[1]
  • N=4: Die vier Elektronen bilden ein Tetraeder.
  • N=5: Für fünf Elektronen wurde 2010 ein computergestützter Beweis erbracht, wonach diese eine dreieckige Bipyramide bilden.[2]
  • N=12: Diese Konfiguration bildet ein regelmäßiges Ikosaeder.[4]

Verwandte wissenschaftliche Probleme[Bearbeiten]

Das Problem von Thomson spielt eine Rolle in anderen physikalischen Modellen wie zum Beispiel Elektronenblasen oder die Oberflächenbeschaffenheit von flüssigen Metalltropfen in Paul-Fallen.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  L. Föppl: Stabile Anordnungen von Elektronen im Atom.. In: Journal für die reine und angewandte Mathematik. 141, 1912, S. 251–302.
  2.  Richard Evan Schwartz: The 5 Electron Case of Thomson’s Problem. In: arXiv:[math-ph]. 2010, arXiv:1001.3702.
  3.  V. A. Yudin: The minimum of potential energy of a System of point charges. In: Discrete Mathematics and Applications. 3, Nr. 1, 2009, S. 75–82, doi:10.1515/dma.1993.3.1.75.
  4. N.N. Andreev: An extremal property of the icosahedron. In: East J. Approximation. 2, Nr. 4, 996, S. 459-462, MR 97m:52022, Zbl 0877.51021.