晶体结构的对称

晶体结构的对称性晶体性质晶体是原子(包括离子，原子团)在三维空间中周期性排列形成的固体物质。晶体有以下的共同性质：1.均匀性;2.各向异性;3.自范性;4.对称性;5.稳定性。对称性的不同含义物体的组成部分之间或不同物体之间特征的对应、等价或相等的关系。（希腊字根=类似尺寸的。）由于平衡或和谐的排列所显示的美。形态和（在中分平面、中心或一个轴两侧的）组元的排列构型的精确对应。晶体点阵与晶体对称性点阵是一组无限的点，连接其中任意两点可以得到一个矢量，点阵按此矢量平移后都能复原。三维空间点阵是在三维空间中点的无限阵列，其中所有的点都有相同的环境。选任意一个阵点作为原点，三个不共面的矢量a，b和c作为坐标轴的基矢，这三个矢量得以确定一个平行六面体如下：此平行六面体称为晶胞。晶胞如上确定的六面体称为晶胞，由矢量a，b和c确定的方向称为晶体学的晶轴X，Y，Z。如果晶胞中只包含一个阵点，则这种晶胞被称为初基的(primitive)。晶胞的大小和形状可以用晶胞参数来表示，即用晶胞的三个边的长度a，b，c三个边之间的夹角a，b，g表示。晶胞包含描述晶体结构所需的最基本结构信息。如果知道了晶胞中全部原子的坐标，就有了晶体结构的全部信息。一般写作：晶体结构=点阵+结构基元；但准确的描述应为：晶体结构=点阵*结构基元；晶体结构=结构基元@点阵点阵、结构和单胞1.点阵：晶体的周期性，忽略填充空间的实际结构(分子)。2.点阵矢量：由点阵矢量移动晶体到一个等效位置的平移。3.初基点阵矢量：可选择的最小点阵矢量。4.初基晶胞：初基点阵矢量定义的平行六面体，仅包含一个点阵点。5.晶体结构：原子在晶体中的周期性排列。它可以通过在每点阵点安放一个称为基元（或型主）的一组原子来描述。不要混淆点阵点和原子1.阵点是在空间中无穷小的点。2.原子是实在物体。3.阵点不必处于原子中心。晶体结构=结构基元@点阵晶体结构是在每个点阵点上安放一个结构基元。晶体学中的对称操作元素分子和晶体都是对称图像，是由若干个相等的部分或单元按照一定的方式组成的。对称图像是一个能经过不改变其中任何两点间距离的操作后复原的图像。这样的操作称为对称操作。在操作中保持空间中至少一个点不动的对称操作称为点对称操作，如简单旋转和镜像转动(反映和倒反)是点式操作;使空间中所有点都运动的对称操作称为非点式操作，如平移，螺旋转动和滑移反映。对称操作和对称元素对称操作：一个物体运动或变换，使得变换后的物体与变换前不可区分（复原，重合）。对称元素：在对称操作中保持不变的几何图型：点、轴或面。点群：保留一点不变的对称操作群。空间群：为扩展到三维物体例如晶体的对称操作群，由点群对称操作和平移对称操作组合而成；由32晶体学点群与14个Bravais点阵组合而成；空间群是一个单胞（包含单胞带心）的平移对称操作；反射、旋转和旋转反演等点群对称性操作、以及螺旋轴和滑移面对称性操作的组合。对称操作分类只产生可重合物体的操作统称为第一类操作；而产生物体对映体（镜像）的操作统称为第二类操作。第一类操作：真（纯）旋转；螺旋旋转。第二类操作：反射；反演；滑移；非真旋转（旋转反演，旋转反映）没有反轴对称性的晶体是手性晶体。晶系(Thesevencrystalsystems)晶系：按照晶胞的特征对称元素可以分成7个不同类型，称为晶系。晶系特征对称元素三斜无或反演中心单斜唯一的2次轴或镜面正交三个相互垂直的2次旋转轴或反轴。三方唯一的3次旋转轴或反轴。四方唯一的4次旋转轴或反轴。六方唯一的6次旋转轴或反轴。立方沿晶胞体对角线的四个3次旋转轴或反轴不同晶系中的标准单胞选择规则晶系标准单胞选择变通单胞选择三斜晶轴间交角尽可能接近直角，但90。容许轴间交角=90单斜Y轴平行于唯一的二次轴或垂直于镜面，b角尽可能接近直角。同标准选择，但Z轴代替Y轴，g角代替b角。正交晶轴选择平行于三个相互垂直的2次轴（或垂直于镜面）。无四方Z轴总是平行于唯一的4次旋转（反演）轴，X和Y轴相互垂直，并都与Z轴成直角。无六方/三方Z轴总是平行于唯一的3次或6次旋转（反演）轴，X和Y轴都垂直于Z轴，并相互间交角为120。在三方晶系，三次轴选为初基单胞的对角线，则a=b=c,a=b=g90。立方晶轴总选为平行于三个相互垂直的2次轴或4次轴，而四个三次轴平行于平行于立方晶胞的体对角线。无群的定义假设G是由一些元素组成的集合，即G={…，g，…}。在G中定义了一种二元合成规则(操作、运算，群的乘法)。如果G对这种合成规则满足以下四个条件：a)封闭性：G中任意两个元素的乘积仍然属于G。b)结合律：c)单位元素。集合G中存在一个单位元素e，对任意元素，有d)可逆性。对任意元素，存在逆元素，使则称集合G为一个群。GhfgGgf=,)()(,,ghfhfgGhgf=ffeef==effff==11GfGfGf1晶体学点群晶体中满足群的性质定义的点对称操作的集合称作晶体学点群。点对称操作的共同特征是进行操作后物体中至少有一个点是不动的。晶体学中，点对称操作只能有轴次为1,2,3,4,6的旋转轴和反轴。(对称中心=，镜面=)如果把点对称操作元素通过一个公共的点按所有可能组合起来，则一共可以得出32种不同的组合方式，称为32个晶体学点群。晶体学点群的对称元素方向及国际符号晶系第一位第二位第三位点群可能对称元素方向可能对称元素方向可能对称元素方向三斜1,`1任意无无1，`1单斜2,m,2/mY无无2,m,2/m正交2，mX2，mY2，mZ222,mm2,mmm四方4,`4，4/mZ无，2，mX无，2，m底对角线4,`4，4/m，422，4mm,`42m,4/mmm三方3,`3Z无，2，mX无3,`3,32,3m,`3m六方6,`6,6/mZ无，2，mX无，2，m底对角线6,`6,6/m,622,6mm,`62m,6/mmm立方2,m,4,`4X3,`3体对角线无，2，m面对角线23,m3,432,`43m,m`3m32种点群的表示符号及性质1.旋转轴(C=cyclic)：C1,C2,C3,C4,C6;1,2,3,4,62.旋转轴加上垂直于该轴的对称平面：C1h=Cs,C2h,C3h,C4h,C6h;m,2/m,3/m(),4/m,6/m3.旋转轴加通过该轴的镜面：C2v,C3v,C4v,C6v;mm2,3m,4mm,6mm4.旋转反演轴S2=Ci,S4,S6=C3d;-1,-4,-332种点群的符号表示符号及性质5.旋转轴(n)加n个垂直于该轴的二次轴：D2,D3,D4,D6;222,32,422,6226.旋转轴(n)加n个垂直于该轴的二次轴和镜面：D2h,D3h,D4h,D6h;mmm,3/mm,4/mm,6/mmm7.D群附加对角竖直平面：D2d,D3d;-42m,-3m8.立方体群(T=tetrahedral，O=octahedral)T,Th,O,Td,Oh;23,m3,432,-43m,m3m点群与物理性质从晶体的点群对称性，可以判明晶体有无对映体、旋光性、压电效应、热电效应、倍频效应等。1.旋光性出现在15种不含对称中心的点群。2.热电性出现在10种只含一个极性轴的点群。3.压电性出现在20种不含对称中心的点群(432除外)。4.倍频效应出现在18种不含对称中心的点群。反过来，在晶体结构分析中，可以借助物理性质的测量结果判定晶体是否具有对称中心。14种空间点阵型式示意图(14个Bravais点阵)从晶系到空间群7个晶系旋转，反射，反演平移螺旋轴，滑移面32个点群14种Bravais格子230个空间群（按照晶胞的特征对称元素分类）空间群分布三斜晶系：2个；单斜晶系：13个正交晶系：59个；三方晶系：25四方晶系：68个；六方晶系：27个立方晶系：36个。有对称中心90个，无对称中心140个。73个symmorphic(点式)，157个non-symmorphic。对称方向晶系对称方向第一第二第三三斜无单斜b[010]正交a[100]b[010]c[001]四方c[001]a[100]/[010]a+b[110]六方c[001]a[100]/[010]2a+b[120]三方(R)a+b+c[111]a-b[1`10]立方a[100]/[010]/[001]a+b+c[111]a+b[110]从空间群符号辨认晶系1.立方–第2个对称符号：3或`3(如：Ia3,Pm3m,Fd3m)2.四方–第1个对称符号：4,`4,41,42或43(如：P41212,I4/m,P4/mcc)3.六方–第1个对称符号：6,`6,61,62,63,64或65(如：P6mm,P63/mcm)4.三方–第1个对称符号：3,`3，31或32(如：P31m,R3,R3c,P312)5.正交–点阵符号后的全部三个符号是镜面，滑移面，2次旋转轴或2次螺旋轴(即Pnma,Cmc21,Pnc2）6.单斜–点阵符号后有唯一的镜面、滑移面、2次旋转或者螺旋轴，或者轴/平面符号(即Cc、P2、P21/n)。7.三斜–点阵符号后是1或(-1)。从空间群符号确定点群点群可以从简略H-M符号通过下列变换得出：1.把所有滑移面全部转换成镜面；2.把所有螺旋轴全部转换成旋转轴。例如：空间群=Pnma点群=mmm空间群=I`4c2点群=`4m2空间群=P42/n点群=4/m参考书和互联网资源1.“粉末衍射法测定晶体结构”梁敬魁编著，科学出版社，2003年。2.“FundamentalsofPowderdiffractionandStructuralCharacterization”,V.K.Pecharsky,P.Y.Zavalij,KluwerAcademic,20033.“晶体结构测定”，周共度著，科学出版社，1981年。4.“固体科学中的空间群，G.本斯，格莱泽著，高等教育出版社，1984年5.“对称性原理(一)对称图象的群论原理”，唐有祺著，科学出版社，1984年6.“FundamentalsofCrystallography”,C.Giacovazzoetal,OxfordUniv.Press,1992.7.“X射线晶体学导论”，(英)M.M.Woolfson著，科学出版社，1981年年。8.“晶体学中的对称群”，王仁卉，郭可信著，科学出版社，1990年。9.http:/