晶體學點群
表示晶体对称性的抽象数学方法
在晶體學中,晶體學點群是對稱操作(例如旋轉、反映)的集合。這些操作以固定的中心向其他方向移動能使晶體復原,因此稱為對稱操作。對於一種真正的晶體(不是准晶體),點群對應的操作必須能夠保持晶體的三維平移對稱性。經過它的點群中任何操作之後,晶體的宏觀性質依然和操作前完全相同[1]。在晶體的分類中,每一種點群也稱為晶類。
這樣看來似乎有無窮多種三維點群。然而,根據晶體局限定理可知,無窮多族的普通點群可以概括成32種晶體學點群。這32種點群與1830年約翰·弗里德里希·克里斯蒂安·赫塞爾提出的32種晶體形態學(外部)對稱性是等價的,而他是從觀察晶體外形得出的此結論。
晶體的點群和其他要素一起從結構上決定了晶體的物理性質具有各向異性,包括光學性質,例如某種晶體是否有雙折射性質,或者它是否表現出普克爾斯效應。
記號
編輯點群表示的是晶體所包含的對稱元素。目前有多種不同的記號,分別由結晶學家、礦物學家、物理學家和化學家使用。
對於下面兩種不同系統的關係,請參見晶系。
熊夫利記號
編輯在熊夫利中,點群是用字母符號加上數字下標表示的。下面簡述晶體學中使用的這種符號的意義[2]:
- Cn(循環群)表示該群有一根n次旋轉軸。Cnh是Cn加上一個與旋轉軸垂直的鏡面(反映)對稱元素。Cnv則是Cn加上n個與旋轉軸平行的鏡面對稱元素。
- S2n(源自德語Spiegel,意思是鏡面)表示一根只含有2n次旋轉反映軸(簡稱映軸)。
- Dn(二面體群)表示這個群只有一根n次旋轉軸和n根垂直於這根主軸的二重軸。Dnh是加上一個與n次旋轉軸垂直的鏡面。Dnd則是Dn是加上n個與n次旋轉軸平行的鏡面。
- 字母T(四面體)表示這個群有四面體的對稱性。Td則包括了旋轉反映操作,T群本身則不包含旋轉反映操作,Th則是T群加上與旋轉軸垂直的鏡面。
- 字母O(八面體)表示該群具有八面體或者立方體的對稱性,可能包括(Oh)或不包括(O)旋轉反映操作。
根據晶體局限定理,在二維或三維空間中n的取值只有1、2、3、4和6。
n | 1 | 2 | 3 | 4 | 6 |
---|---|---|---|---|---|
Cn | C1 | C2 | C3 | C4 | C6 |
Cnv | C1v=C1h | C2v | C3v | C4v | C6v |
Cnh | C1h | C2h | C3h | C4h | C6h |
Dn | D1=C2 | D2 | D3 | D4 | D6 |
Dnh | D1h=C2v | D2h | D3h | D4h | D6h |
Dnd | D1d=C2h | D2d | D3d | D4d | D6d |
S2n | S2 | S4 | S6 | S8 | S12 |
D4d和D6d實際上是不存在的,因為它們分別包含了n=8和12的旋轉反映軸。表格中剩下的27種點群與T、Td、Th、O和Oh共同組成32種晶體學點群。
赫爾曼–莫甘記號
編輯赫爾曼–莫甘記號的一種簡略形式廣泛用於表示空間群,也用於描述晶體學點群。群的名稱列在下表中;點群間相互之關係可見右圖。
1 | 1 | |||||
2 | 2⁄m | 222 | m | mm2 | mmm | |
3 | 3 | 32 | 3m | 3m | ||
4 | 4 | 4⁄m | 422 | 4mm | 42m | 4⁄mmm |
6 | 6 | 6⁄m | 622 | 6mm | 62m | 6⁄mmm |
23 | m3 | 432 | 43m | m3m |
不同記號之間的對應關係
編輯晶族 | 晶系 | 赫爾曼–莫甘 (完整記號) |
赫爾曼–莫甘 (簡寫記號) |
舒勃尼科夫[3] | 熊夫利 | 軌形記號 | 考克斯特記號 | 階 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | C1 | 11 | [ ]+ | 1 | |||
1 | 1 | Ci = S2 | x | [2+,2+] | 2 | |||
2 | 2 | C2 | 22 | [2]+ | 2 | |||
m | m | Cs = C1h | * | [ ] | 2 | |||
2/m | C2h | 2* | [2,2+] | 4 | ||||
222 | 222 | D2 = V | 222 | [2,2]+ | 4 | |||
mm2 | mm2 | C2v | *22 | [2] | 4 | |||
mmm | D2h | *222 | [2,2] | 8 | ||||
4 | 4 | C4 | 44 | [4]+ | 4 | |||
4 | 4 | S4 | 2x | [2+,4+] | 4 | |||
4/m | C4h | 4* | [2,4+] | 8 | ||||
422 | 422 | D4 | 422 | [4,2]+ | 8 | |||
4mm | 4mm | C4v | *44 | [4] | 8 | |||
42m | 42m | D2d | 2*2 | [2+,4] | 8 | |||
4/mmm | D4h | *422 | [4,2] | 16 | ||||
3 | 3 | C3 | 33 | [3]+ | 3 | |||
3 | 3 | S6 = C3i | 3x | [2+,6+] | 6 | |||
32 | 32 | D3 | 322 | [3,2]+ | 6 | |||
3m | 3m | C3v | *33 | [3] | 6 | |||
3 | 3m | D3d | 2*3 | [2+,6] | 12 | |||
6 | 6 | C6 | 66 | [6]+ | 6 | |||
6 | 6 | C3h | 3* | [2,3+] | 6 | |||
6/m | C6h | 6* | [2,6+] | 12 | ||||
622 | 622 | D6 | 622 | [6,2]+ | 12 | |||
6mm | 6mm | C6v | *66 | [6] | 12 | |||
6m2 | 6m2 | D3h | *322 | [3,2] | 12 | |||
6/mmm | D6h | *622 | [6,2] | 24 | ||||
23 | 23 | T | 332 | [3,3]+ | 12 | |||
3 | m3 | Th | 3*2 | [3+,4] | 24 | |||
432 | 432 | O | 432 | [4,3]+ | 24 | |||
43m | 43m | Td | *332 | [3,3] | 24 | |||
3 | m3m | Oh | *432 | [4,3] | 48 |
參見
編輯參考資料
編輯- ^ (簡體中文)周公度、段連運. 结构化学基础 第四版. 北京: 北京大學出版社. 2008. ISBN 9787301057735.
- ^ (簡體中文)麥松威、周公度、李偉基. 高等无机结构化学 第二版. 北京: 北京大學出版社. 2006. ISBN 9787301047934.
- ^ (英文) 存档副本. [2011-11-25]. (原始內容存檔於2013-07-04).