晶体的对称性

关于晶体的对称性第1页，课件共46页，创作于2023年2月对称操作所依赖的几何要素。1.对称操作与线性变换经过某一对称操作，把晶体中任一点变为可以用线性变换来表示。1对称性与对称操作对称性：经过某种动作后，晶体能够自身重合的特性。对称操作：使晶体自身重合的动作。对称素：第2页，课件共46页，创作于2023年2月操作前后，两点间的距离保持不变，Ox1x3x2O点和X点间距与O点和点间距相等。第3页，课件共46页，创作于2023年2月I为单位矩阵，即：或者说A为正交矩阵，其矩阵行列式。2.简单对称操作(旋转对称、中心反映、镜象、旋转反演对称)(1)旋转对称(Cn,对称素为线)若晶体绕某一固定轴转以后自身重合，则此轴称为n次(度)旋转对称轴。下面我们计算与转动对应的变换矩阵。第4页，课件共46页，创作于2023年2月当OX绕Ox1转动角度时，图中若OX在Ox2x3平面上投影的长度为R，则Ox1x3x2第5页，课件共46页，创作于2023年2月晶体中允许有几度旋转对称轴呢?设B1ABA1是晶体中某一晶面上的一个晶列，AB为这一晶列上相邻的两个格点。A1ABB1第6页，课件共46页，创作于2023年2月若晶体绕通过格点A并垂直于纸面的u轴顺时针转角后能自身重合，则由于晶体的周期性，通过格点B也有一转轴u。是的整数倍，A1ABB1相反若逆时针转'角后能自身重合，则A1ABB1是的整数倍，第7页，课件共46页，创作于2023年2月晶体中允许的旋转对称轴只能是1，2，3，4，6度轴。综合上述证明得：12346第8页，课件共46页，创作于2023年2月正五边形沿竖直轴每旋转720恢复原状，但它不能重复排列充满一个平面而不出现空隙。因此晶体的旋转对称轴中不存在五次轴，只有1，2，3，4，6度旋转对称轴。(2)中心反演(i，对称素为点)取中心为原点，经过中心反映后，图形中任一点变为第9页，课件共46页，创作于2023年2月(3)镜象(m，对称素为面)如以x3=0面作为对称面，镜象是将图形的任何一点变为(4)旋转--反演对称若晶体绕某一固定轴转以后，再经过中心反演,晶体自身重合，则此轴称为n次(度)旋转--反演对称轴。第10页，课件共46页，创作于2023年2月

旋转--反演对称轴只能有1，2，3，4，6度轴。旋转--反演对称轴用表示。旋转--反演对称轴并不都是独立的基本对称素。如：1212345612第11页，课件共46页，创作于2023年2月ABDCEFGH正四面体既无四度轴也无对称心6=3+m1234566'1234第12页，课件共46页，创作于2023年2月1，2，3，4，6度旋转对称操作。1，2，3，4，6度旋转反演对称操作。(3)中心反映：i。(4)镜象反映：m。

C1，C2，C3，C4，C6

（用熊夫利符号表示）S1，S2，S3，S4，S6（用熊夫利符号表示）点对称操作：(2)旋转反演对称操作：(1)旋转对称操作：

独立的对称操作有8种,即1，2，3，4，6，i，m，。或C1，C2，C3，C4，C6

，Ci，Cs，S4。第13页，课件共46页，创作于2023年2月立方体对称性(1)立方轴C4：3个立方轴；4个3度轴；(2)体对角线C3：(3)面对角线C2：6个2度轴；第14页，课件共46页，创作于2023年2月与4度轴正交的对称面与2度轴正交的对称面第15页，课件共46页，创作于2023年2月所有点对称操作都可由这8种操作或它们的组合来完成。一个晶体的全部对称操作构成一个群，每个操作都是群的一个元素。对称性不同的晶体属于不同的群。由旋转、中心反演、镜象和旋转--反演点对称操作构成的群，称作点群。理论证明，所有晶体只有32种点群，即只有32种不同的点对称操作类型。这种对称性在宏观上表现为晶体外形的对称及物理性质在不同方向上的对称性。所以又称宏观对称性。如果考虑平移，还有两种情况，即螺旋轴和滑移反映面。第16页，课件共46页，创作于2023年2月

（5）n度螺旋轴：若绕轴旋转2/n角以后，再沿轴方向平移l(T/n)，晶体能自身重合，则称此轴为n度螺旋轴。其中T是轴方向的周期，l是小于n的整数。n只能取1、2、3、4、6。（6）滑移反映面：若经过某面进行镜象操作后，再沿平行于该面的某个方向平移T/n后，晶体能自身重合，则称此面为滑移反映面。T是平行方向的周期，n可取2或4。点对称操作加上平移操作构成空间群。全部晶体构有230种空间群，即有230种对称类型。第17页，课件共46页，创作于2023年2月2晶系和布喇菲原胞根据不同的点对称性，将晶体分为7大晶系，14种布喇菲晶格。为布喇菲原胞三个基矢，分别为取间的夹角。7大晶系的特征及布喇菲晶格如下所述：第18页，课件共46页，创作于2023年2月1.三斜晶系：2.单斜晶系：3.三角晶系：简单三斜(1)简单单斜(2)底心单斜(3)三角(4)4.正交晶系：简单正交(5)，底心正交(6)体心正交(7)，面心正交(8)5.四角系：(正方晶系)简单四角(9)，体心四角(10)6.六角晶系：六角(11)7.立方晶系：简立方(12)，体心立方(13)，面心立方(14)第19页，课件共46页，创作于2023年2月简单三斜(1)简单单斜(2)底心单斜(3)1.三斜晶系：2.单斜晶系：3.三角晶系：三角(4)第20页，课件共46页，创作于2023年2月4.正交晶系：简单正交(5)底心正交(6)体心正交(7)面心正交(8)5.四角系：(正方晶系)体心四角(10)简单四角(9)第21页，课件共46页，创作于2023年2月6.六角晶系：六角(11)7.立方晶系：简立方(12)体心立方(13)面心立方(14)第22页，课件共46页，创作于2023年2月第23页，课件共46页，创作于2023年2月3点群的表示符号通用的点群符号有两种:一是传统的熊夫利(Schonflis或熊夫里斯)符号;二是赫曼-莫吉恩(Hermann-Mauguin)符号：扼要地概括了点群中对称元素的配置情况,包含信息较多,已为国际晶体学界所采用，故通称为国际符号。独立的8种对称操作：熊夫利符号：C1，C2，C3，C4，C6，Ci，Cs，S4国际符号：1，2，3，4，6，i，m

，。第24页，课件共46页，创作于2023年2月32个晶体学点群由上述的8种独立的宏观对称元素按一定的规则（即对称元素至少要通过一个公共点；组合时不能出现5次轴及大于6的对称轴）进行组合，总共有32种组合形式，称为32个晶体学点群。晶体的宏观外形不论形状如何，必属于这32个晶体学点群中的某一个。第25页，课件共46页，创作于2023年2月对称性的高低晶系特征对称元素晶胞类型点群对称元素序号熊夫里斯记号国际记号低三斜无12单斜

或m345

2/m

正交两个互相垂直的m或三个互相垂的67

8中四方910

11

127个晶系和32种晶体学点群的划分第26页，课件共46页，创作于2023年2月对称性的高低晶系特征对称元素晶胞类型点群对称元素序号熊夫里斯记号国际记号中四方131415三方菱面体晶胞161718六方晶胞1920续表：第27页，课件共46页，创作于2023年2月对称性的高低晶系特征对称元素晶胞类型点群对称元素序号熊夫里斯记号国际记号中六方21222324622252627高立方在立方的体对角线方向2829303132续表：第28页，课件共46页，创作于2023年2月晶体点群的记号晶系123立方Cubicaa＋b＋ca＋b六方hexagonalca2a＋b四方tetragonalcaa＋b三方rhombohetrona＋b＋ca－b――正交orthorhombicabc单斜monoclinicb――――三斜anorthic第29页，课件共46页，创作于2023年2月举例简单立方体的表示：432正四方体(c>a=b)的表示：422或4mm正三方的表示：32第30页，课件共46页，创作于2023年2月D2h－PmnlD2h是点群的熊夫利记号;国际记号：P为简单点阵;mnl表示晶体中3个方向的对称性。讨论钛酸钡在各种温度下的结构及其表示：第31页，课件共46页，创作于2023年2月附录国际符号根据各种晶类的对称性可以是三项、或二项、或一项符号组成，它分别表示晶体某三个、或二个、或一个方向上的对称元素。如果在某一个方向上，同时具有对称轴和垂直于此轴的对称面，则写成分数形式。如2/m,4/m。第32页，课件共46页，创作于2023年2月熊夫利斯（Schöenfles）符号Cn：字母表示旋转的意思，组标n表示旋转的次数，n=1、2、3、4、6。例如C2代表二次旋转轴。Cnh：表示除了n次旋转轴外，还包括一个与此轴垂直的对称面。（2/m）Cnv：表示除了n次旋转轴外，还包括一个与此轴重合（即平行）的对称面。Cni：表示除了n次旋转轴外，还包括一个对称中心。第33页，课件共46页，创作于2023年2月Ci：表示有一个对称中心。S4：表示有一个四次旋转倒反轴。Dn：表示除了n次主旋转轴外，还包括n个与之轴垂直的二次旋转轴。Dnh：表示除了Dn的对称性外，还包括一个与主旋转轴垂直的对称面，和n个与二次旋转轴重合（即平行）的对称面。Dnd：表示除了Dn的对称性外，还包括n个平分两个二次旋转轴夹角的对称面。第34页，课件共46页，创作于2023年2月T：除了四个三次旋转轴外，还包括三个正交的二次旋转轴。Th：除了T的对称性外，还包括与二次旋转轴垂直的三个对称面。Td：除了T的对称性外，还包括六个平分两个二次旋转轴夹角的对称面。O：包括三个互相垂直的四次旋转轴，六个二次旋转轴，和四个三次旋转轴。Oh：除了O的对称性外，还包括Td与Th的对称面。第35页，课件共46页，创作于2023年2月国际符号由两部分组成空间群的国际符号由两部分组成:第一部分为大写字母：P：原始格子、O：心，A：100、B：010、C：001I：体心、F：面心、R：菱面体第二部分为对称类型的国际符号第36页，课件共46页，创作于2023年2月部分规则符号：/m:表示反映面与主轴垂直。如3/m:表示垂直于3重旋转轴的面；m:表示反映面与主轴平行。此时c2与m等价。体心立方的长方体：选择参量是c,a,a+b对应的是4,2,2。第37页，课件共46页，创作于2023年2月极射球的对称操作黑点表示平面外面点，圆圈表示平面里面点在平面的投影上横线表示投射i：点变圆圈；m表示面，在分子时面与轴平行，在分母时表示面与轴垂直，用一条黑线（直径）表示。旋转轴的表示也有两种，中心点的符号与红线加两端的符号表示。

第38页，课件共46页，创作于2023年2月第39页，课件共46页，创作于2023年2月BaTiO3的XRD衍射图四方tetragonal结构的轴：caa＋bP4mm4m