We have extended a recent perturbation theory [J. Chem. Phys. 82, 414 (1985); 84, 4547 (1986)] for nonionic systems to the one-component plasma (OCP). Characteristic features of the theory are its ability to both fluids and solids and the use of a reference potential whose repulsive range shrinks with density. Based on the computed thermodynamic data, we have developed a simple alternative (optimized hard-sphere) model, whose Helmholtz free energy is a sum of the Helmholtz free energy of the hard-sphere reference system and the Madelung energy of a fcc lattice. Comparison with available Monte Carlo and other theoretical results shows that the optimized hard-sphere model gives reliable solid (fcc) and fluid properties. The theory predicts that the fcc solid will melt at the Coulomb coupling parameter $\Gamma{m}$ =208 versus Helfer et al.'s [J. Stat. Phys. 37, 577 (1984)] Monte Carlo value of 196. This difference is due to a small difference (0.1\%) in the computed excess free energy. The computed internal energy can be accurately fitted by an analytic form. Its two leading terms (for the fluid) are $-0.899488\Gamma + 1.27297\Gamma^{1/4}$, in close agreement with Slattery et al.'s [Phys. Rev. A 21, 2087 (1980); 26, 2255 (1982)] empirical fit to their Monte Carlo data. We conclude that the hard-sphere perturbation theory is applicable to a long-range repulsive system, such as the OCP, so long as the hard-sphere diameter is judiciously chosen by using a density-dependent reference potential. The equilibrium properties of charged hard spheres in a uniform neutralizing background depend on two independent parameters : the Coulomb coupling constant of the one-component plasma and the packing fraction of the hard spheres. The thermodynamic quantities such as excess Helmholtz free energy, excess internal energy, and compressibility factor are calculated from the hard-sphere perturbation theory and the optimized hard-sphere model of charged hard spheres for fluids. The optimized hard-sphere model approach gives the thermodynamic properties in excellent agreement with the Monte Carlo result. We compute the radial distribution function and structure factor at several values of Coulomb coupling constant and the hard-sphere packing fraction. Our results predict the radial distribution function and the structure factor in reasonable agreement with the Monte Carlo results.
비이온성계의 섭동론을 일성분 플라즈마에 확장하였다. 이론의 특징은 유체및 고체에 대해 적용이 가능하고 밀도에 따라 수축이 되는 반발 범위를 기준계로 사용한다. 계산된 열역학값에 의해서 간단한 모델, 즉, 최적 강체구 모델을 제안하였다. 이 이론은 강체구 기준계의 Helmholtz 자유에너지와 fcc 격자의 Madelung에너지의 합에 의해서 전체 Helmholtz 자유에너지가 된다는 것이다. Monte Carlo 값과 다른 이론치들과의 비교에서 최적 강체구 모델이 fcc고체와 유체의 성질을 잘 설명하고 있다. 우리의 경우는 fcc 고체가 Coulomb coupling 상수 $\Gamma_m = 208$ 에서 녹았는데, Helfer의 Monte Carlo 값은 196 이었다. 이 차이는 잉여 자유에너지의 조그만 차이 (0.1 \%)에 기인된다. 또 내부에너지를 해석적으로 정확하게 표현하였다. 유체의 경우 두항만을 쓰면 $-0.89948\Gamma + 1.27297\Gamma^{1/4}$ 로 된다. 강체구 섭동론이 일성분 플라즈마 같은 장거리 반발계에 적용될 수 있다고 결론 지을 수 있다. 균일증성 배경하에 있는 하전 강체구의 잉여 Helmholtz 자유에너지, 잉여부에너지 및 압축인자 같은 열역학적 양을 우리가 제안한 강체구 섭동론과 최적 강체구 모델로서 계산했다. 최적 강체구 모델이 Monte Carlo 결과와 좋은 일치를 보였다. 한편 여러 Coulomb coupling 상수와 강체구 충진율에서 동경분포함수와 구조인자를 계산해본 결과 Monte Carlo결과와 잘 일치하였다.
