晶体中所含有的全部
宏观对称元素至少交于一点,这些汇聚于一点的全部对称元素的各种组合称为晶体的点群(point group),或称为对称类型。
点群定义
在固体物理中,点群与
晶类(crystal class)有等同的含义。
对称操作群:由物体的对称操作构成的群。
对称操作:物体在
正交变换(保持两点间距离不变的几何操作,如旋转,反伸,反映)下不变,则该变换为物体的对称操作。
群:
数学概念,集合和其上的一种运算构成一个群。群要求满足封闭性,存在单位元素,存在
逆元素,满足该运算的
结合律;简单说群是按照某种规律相互联系着的一组元素的集合。群的元素可以是字母、数字等,在晶体对称理论中,群的元素是
对称操作。
对称要素
对称要素包括
对称中心、
对称轴、
对称面、
旋转反伸轴和
旋转反映轴。对称要素可用普通符号、国际符号和Schoenflies 符号三种方式表示。可以证明,晶体中对称要素共有8种。分别是1,2,3,4,6 ,m,i,-4(这里用国际符号表示,
准晶中还可以出现其他对称要素)。
对称轴:对称轴是一根假想直线,n重
旋转轴是指若物体绕某轴转2π/n 及2π/n的整数倍,物体不变,则该轴为物体的n重旋转轴。
对称面:对称面是一个假想的平面,相应的
对称操作为对于此平面的反映。它将图形平分为互为镜像的两个相等部分。
对称中心:对称中心是一个假象的点,相应的
对称操作是对此点的反伸(或称倒反)。如果通过此点作任意直线,则在此直线上距对称中心等距离的两端,必定可以找到对应点。
旋转反伸轴:旋转反伸轴是一根假象直线,若物体对某轴作转2π/n 加上中心反伸的联合操作,及联合操作的倍数,物体不变,则该轴为物体的n重旋转反伸轴。
其中,除了外,其余各种
旋转反伸轴都可以用其它简单的
对称要素或它们的组合来代替,期间关系如下:
旋转反映轴:旋转反映轴是一根假象直线,若物体对某轴作转2π/n 加上对垂直它的一个平面进行反映的联合操作,及联合操作的倍数,物体不变,则该轴为物体的n重
旋转反伸轴。
对称要素组合
在结晶多面体中,可以有一个
对称要素单独存在,也可以有若干个对称要素组合在一起共存。
对称要素组合服从如下规律:
1.如果有一个二次轴垂直n次轴,则必有n个垂直与,即x→n。
2.如果有一个
对称面P垂直偶次轴(n为偶数),则在其交点存在
对称中心C,即xP→PC。
3.如果有一个
对称面P包含
对称轴,则必有n个P包含,即xP→nP。
4.如果有一个二次轴垂直与
旋转反伸轴,或者有一个
对称面P包含,当n为奇数时必有n垂直和n个对称面包含,即x→nnP,xP→nnP;当n为偶数时必有n/2个垂直和n/2个P包含,即x→n/2n/2P,xP→n/2n/2P。
点群介绍
对称性是晶体的一个共性,结晶多面体中,全部
对称要素的组合,称为该结晶多面体的点群(也称对成型)。
晶体可分为7大
晶系:
三斜晶系、
单斜晶系、正交(斜方)晶系、
四方晶系、六角(六方)晶系、三角(三方)晶系、
立方晶系;
14种Bravais(布拉维)格子:简单三斜、简单单斜、底心单斜、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、三角、简单四方、体心四方、六角、简单立方、体心立方、面心立方;
32个
晶类(点群):C1、Ci、C2、Cs、C2h、D2、D2v、D2h、C3、C3i、D3、C3v、D3d、C4、C4h、D4、C4v、D4h、S4、D2d、C6、C6h、D6、C3v、D6h、C3h、D2h、T、Th、Td、O、Oh(这里用 Schoenflies 符号表示,还可以用国际符号表示,请参考相关书目) 。
沿着立方轴转π/2,π,3π/2,有3个立方轴,共9种
沿着面对角线转π,有6条面对角线,共6种
沿着
体对角线转2π/3,4π/3,有4条体对角线,共8种
不动算1种,共9+6+8+1=24种。
这24种转动加上中心
反演也有24种,故共48种,记为Oh,其中24种纯转动记为O。
有了点群的划分,我们就可以表示任何一种晶体具体的结构
对称性。点群的国际符号一般由三位组成,分别表示三个特定方向上的
对称元素,不同
晶系中三个方向的选取自然不同。如
钛酸钡的六方晶系就可表示为6/mmm 。由于很多内容在这里因没有相应的编辑器,叙述不便,更多的内容也看可以参考书目。
准晶点群
1984年在AlMn合金的
透射电子显微镜的研究中首次发现了五次
对称轴;其颗粒的点群为m-3-5.在其结构中
配位多面体是
长程有序的,但没有平移周期,即不具有格子构造。这类物质陆续发现,它们被认为是介于
非晶态和结晶态之间的一中新物态——准晶态。
在五次轴的
准晶之后,继而又有十次轴准晶的研究。从而推导出的新点群如下:
五方晶系:5 ;-5 ;5m ;-5m ;52
十方晶系:10 ;-10 ;10m ;-10m ;10,2 ;10/m ;10/mmm