结晶学第三章.ppt

,Click to edit Master title style,*,1,第三章 晶体对称性理论,晶体的对称性有宏观对称性与微观对称性之分。,宏观对称性指晶体的外形对称性。,微观对称性指晶体微观结构的对称性。,2,第一节 对称性概念，对称操作和对称元素,1.1,基本概念,知识点：等同图形，对称图形，对称操作，,对称元素，对称性，阶次,1.,等同图形：,几何学上将具有对称形象的物体的各部分叫做等同图形。,相等图形：完全迭合的相等图形。如，袜子。,不相等图形：互成镜像的等同而不相等图形。,如，左右手，鞋。,2.,对称图形：,由二个或二个以上的等同图形构成，并且很有规律的重复着。,（既包括相等图形又包括不相等图形）,包括,3,第一节 对称性概念，对称操作和对称元素,1.1,基本概念,3.,对称操作：（又叫对称动作）,将对称图形某一部分中的任意点带到一个等同部分中的,相应点上去使新图形与原图形重合的操作叫对称操作。,另一种表述：,使各个原子的位置发生变换的操作，但其结果则是使分,子或晶体的状态与操作前的状态正好相同，即处于,对称,相关位置,。,4,第一节 对称性概念，对称操作和对称要素,1.1,基本概念,对称操作的例子，,苯分子,C,6,H,6,。,5,第一节 对称性概念，对称操作和对称要素,1.1,基本概念,4.,对称元素（对称要素）：,进行对称操作时，必须依据的几何元素（点，线，面）,叫做对称元素。,5.,对称性：,物体中各等同部分在空间排列的特殊规律性叫对称性。,6.,对称性的阶次：,对称图形中所包括的等同部分的数目称为阶次。,阶次的大小代表对称程度的高低。,注意，阶次指一次操作后重复的部分。,例如，,4,个花瓣的花。花是对称图形，瓣是相等图形（属于,等同图形），,4,个瓣是,4,个相等图形，阶次为,4,。,6,1.2,对称操作和对称要素,分七类：,1.,对称操作：旋转（也称纯旋转或真旋转），,对称元素：旋转轴（是直线），,符号：,n,（国际符号），,C,n,（熊夫利斯符号）,例子：如果一物体具有绕一个轴旋转,180,的对称操作，,那么在国际符号中记为,2,，熊夫利斯符号记为,C,2,。,旋转只能使完全相等的图形彼此重合，不可能使左右手重合。,7,（,1,）旋转（纯旋转或真旋转）,如果对称操作是一个,2/n,的旋转，,那么它的符号记为：国际符号,n,，熊氏符号,C,n,。,此处，,n,称为旋转轴的轴次，即转一周重复的次数。,为基转角，,=2/n,，,为能使图形复原的最小旋转角度。,则，,n=2/,，,n,也为该旋转轴相应的对称性的阶次。,如苯环：,=60,，,n=360,/60,=6,，它具有,6,次轴，阶次为,6,。,8,（,1,）旋转轴的方向,由于旋转轴是一条具有一定方向的直线，因而可以相对,于,a,b,c,轴用一个矢量：,s,=u,a,+v,b,+w,c,来描述，此处矢量,s,的长度要调整到使,u,v,w,为互质整数。,按照结晶学中表示方向的规则，这个方向被写为,uvw,。,旋转操作，在国际符号中被写为,nuvw,在熊夫利斯符号中被写为,C,n,uvw,。,9,（,1,）旋转,我们只讨论,n=1,2,3,4,6,五种轴次的旋转。,恒等操作：国际符号,1,，熊氏符号,E,。,虽然恒等操作似乎是无关紧要的，但最重要的对称操作,正是这种能描述所有物体的操作。这是一种随物体没有做任,何操作的操作。,10,（,1,）旋转,：,2,（,C,2,）,在投影图上描述对称操作的方,法：用圆圈代表任何一般物体。,两个圆圈处于对称相关位置,表示,2,次轴垂直于纸面。轴的符号为,2001,或,C,2,001,”+”,号表示圆圈在纸面上方，,”-”,号表示圆圈在纸面下方。,注意，这两只手都是掌心向上的右手。,带箭头的直线表示纸面内的,2,次轴。这个,2,次轴在,010,方向,.,11,（,1,）旋转：,3,（,C,3,）,关于操作乘法的规则：如果对一个物体进行两次操作,AB,，那么我们规定物体先受右边的,B,作用，然后再受,A,的作用。,对于旋转操作，我们选定右手规则，或者说反时针规则。,对称操作：,33,（,C,3,C,3,）。通常写成,3,2,（,C,3,2,），表示算符的自乘。,于是,n,2,=nn,，表示的就是,n,与,n,相乘的积。,12,（,1,）旋转：,4,（,C,4,）,如果,4(C,4,),是某一个特定晶体的对称操作，那么它就隐含有,2(C,2,),这个对称操作。,4(C,4,),还隐含有,4,3,(C,4,3,),。,同样的，,3(C,3,),就隐含有,3,2,(C,3,2,),。,4,2,（,C,4,2,）,=2,（,C,2,）,这个实例说明：一定的对称操作会隐含有另一些对称操作。,13,（,1,）旋转：,6,（,C,6,）,6,m,（,C,6,m,）也都是对称操作，,m=1,，,2,，,3,，,4,，,5,，,6,。,其中，,m=2,的,6,2,（,C,6,2,）,=3,（,C,3,）,m=3,的,6,3,（,C,6,3,）,=2,（,C,2,），,m=6,的,6,6,（,C,6,6,）,=1,（,E,），即恒等操作。,14,一般等效位置,对称操作就是物体（手或者圆圈）围绕这种对称元素按照要求而完成的运动。,手或者圆圈总是取在,一般位置,上，即它在空间并不是正好处于某个对称元素上。,对称操作的作用效果就在于产生一组手或者一组圆圈，他们全都处于一般位置，但彼此对称相关，于是由此导出一组,一般等效位置,。,15,第一节 对称性概念，对称操作和对称要素,知识点：等同图形，对称图形，对称操作，,对称元素，对称性，阶次，,恒等操作,1,（,E,），,旋转轴符号,n(C,n,),，图形符号，,国际符号，熊夫利斯符号，,操作乘法的规则，,一般位置，一般等效位置，,对称相关位置。,16,（,2,）反映（平面反映，镜像反映）,对空间给定的某一个点（,x,y,z,）做镜像操作的方法是：由这一点向镜面作一条垂直线并延长到镜面的另一边，在延长线上取一点，使其到镜面的距离等于原来点到镜面的距离。这个点就是（,x,y,z,）的镜像。,国际符号：,m,熊夫利斯符号：,反映的平面就是镜像操作的对称元素，称为镜面。,表示,m,垂直于投影面,m010,是镜面的法线方向,m,平行于投影面,以纸面为反映面,17,（,2,）反映（平面反映，镜像反映）,对空间给定的某一个点（,x,y,z,）做镜像操作的方法是：由这一点向镜面作一条垂直线并延长到镜面的另一边，在延长线上取一点，使其到镜面的距离等于原来点到镜面的距离。这个点就是（,x,y,z,）的镜像。,国际符号：,m,熊夫利斯符号：,反映的平面就是镜像操作的对称元素，称为镜面。,对称操作：反映,对称元素：反映面 符号：,m,（,）阶次：,2,反映能使等同而不相等的图形重合，,一次反映不能使相等图形重合。,18,（,2,）反映（平面反映，镜像反映）,国际符号：,m,熊夫利斯符号：,定义,c,轴为主轴，,h,就是垂直于这个主轴的镜面；,镜面,v,包含的是主轴和,a,轴；,d,除包含主轴以外通常还包含,a,轴,b,轴夹角的分角线。,例如在苯分子中，,h,通过这个分子平面的全部原子，,v,通过隔中心相对的一对原子，,d,通过隔中心相对的一对,c-c,键的中心。,19,（,3,）反演（中心反演，对称中心，中心，倒反）,反演操作就是将反演算符,(,i,),作用于空间每一个位置（,x,y,z,）,使之变换到（,-x,-y,-z,）。,如果两只手是像图示这样放置的，那么,(,i,),就是将它们联系起来的对称操作。,国际符号：,熊夫利斯符号：,i,反演的对称元素是一个点。,20,（,3,）反演（中心反演，对称中心，中心，倒反）,反演操作就是将反演算符,(,i,),作用于空间每一个位置（,x,y,z,）,使之变换到（,-x,-y,-z,）。,如果两只手是像图示这样放置的，那么,(,i,),就是将它们联系起来的对称操作。,国际符号：,熊夫利斯符号：,i,反演的对称元素是一个点。,对称操作：反演,对称元素：对称中心,符号：,（,i,）阶次：,2,反演能使等同而不相等的图形重合，,一次反演不能使相等图形重合。,21,（,4,）旋转反演（非真旋转）,在国际系统中，,对称操作：旋转反演（或旋转倒反）,对称元素：旋转反演轴（简称反轴）,在熊夫利斯系统中，,对称操作：非真旋转,对称元素：非真旋转轴,复合操作,：它是另外两个操作的乘积。,对于特定的晶体或分子，组合成这种复合操作的每一个操作本身并不是对称操作，而两者的乘积却是对称操作。,（先旋转再反演）,（先旋转再反映）,22,（,4,）旋转反演,在国际系统中，,对称操作：旋转反演（或旋转倒反）,对称元素：旋转反演轴（简称反轴）,符号：,操作进行时，先绕一直线旋转一定角度，然后再通过该直线上某一点进行反演，或先反演再旋转。,整个操作进行中有一点不动。进行一次旋转反演操作只能使左右手重合。,阶次：轴次为偶数时，阶次,=,轴次,轴次为奇数时，阶次,=,轴次,2,（先旋转再反演）,23,（,4,）旋转反演,对于原子的某种排列方式，如果其位置由这些圆圈描述，我们就可以说 全部都是它的对称操作。,对称操作 隐含着,2,次旋转对称操作的。,24,（,4,）旋转反演,复合操作 确实是一种新的对称操作，,而组成这个复合操作的两个分操作却不是对称操作。,对于这种由手,(,或圆圈,),组成的体系，,既没有单独的,4(C,4,),对称操作，,也没有单独的,(i),对称操作。,25,（,4,）旋转反演,如果一个晶体或分子有这种原子排列方式，,那么这个晶体或分子就有,的对称操作。,26,（,4,）旋转反演,27,（,4,）旋转反演,28,（,4,）非真旋转,在熊夫利斯系统中，,对称操作：非真旋转,对称元素：非真旋转轴,符号：,（先旋转再对垂直于旋转轴的平面进行反映）,29,（,4,）非真旋转,按反时针顺序依次导出图示中的各个圆圈所对应的操作符号：,30,（,4,）非真旋转,按反时针顺序依次导出图示中的各个圆圈所对应的操作符号：,31,（,4,）非真旋转,按反时针顺序依次导出图示中的各个圆圈所对应的操作符号：,32,逆操作,每一个对称操作的逆操作也一定是对称操作。,逆操作,：就是有另外一个操作，使两个操作之积为恒等操作。,(,如果,A,、,B,、,C,是对称操作，且,AC=E,为恒等操作，那么,A,就是,C,的逆操作，或者也可以说,C,是,A,的逆操作。,),33,逆操作,用熊夫利斯符号列出每一种对称操作的逆操作：,对称操作 逆操作,n,为偶数，,m,为任何数,n,为奇数，,m,为奇数,n,为奇数，,m,为偶数,的逆操作是其本身。,34,（,5,）平移,对称操作：平移,对称元素：点阵 阶次：,平移只能使相等的图形重合，而不能使左右手重合。,进行平移操作时，每一个点都动。,35,（,6,）螺旋旋转,对称操作：螺旋旋转,对称元素：螺旋轴 符号,:R,q,（旋转,+,分数平移）,螺旋旋转整个操作中每一点都动了。,一共有,11,种螺旋轴：,按国际符号，螺旋轴对称操作表示为,R,q,，,其中平移的分数单位 是,q,除以旋转,R,的阶次,n,。,即：平移分数单位,，,n,是旋转轴,R,的阶次。,36,（,6,）螺旋旋转,例如：,4,1,次螺旋轴，,R=4,q=1,4,次轴的阶次为,4,。,一个在,(x,y,z),的位置的一般点，,由标记为的,4,1,螺旋轴作第一次螺旋操作，,变换到,(-y,x,1/4+z),。,第二次螺旋操作,4,1,2,又把这个点,变换到,(-x,-y,1/2+z),。,第三次螺旋操作,4,1,3,又把这个点,变换到,(y,-x,3/4+z),。,最后，第四次螺旋操作,4,1,4,把这个一般点,从投影看来转回到出发位置，,但沿,C,方向平移了一个单位的重复距离。,37,（,6,）螺旋旋转,例如：,4,1,次螺旋轴，,R=4,q=1,4,次轴的阶次为,4,。,一个在,(x,y,z),的位置的一般点，,由标记为的,4,1,螺旋轴作第一次螺旋操作，,变换到,(-y,x,1/4+z),。,第二次螺旋操作,4,1,2,又把这个点,变换到,(-x,-y,1/2+z),。,第三次螺旋操作,4,1,3,又把这个点,变换到,(y,-x,3/4+z),。,最后，第四次螺旋操作,4,1,4,把这个一般点,从投影看来转回到出发位置，,但沿,C,方向平移了一个单位的重复距离。,注意：,作了,n,次旋转操作之后，,得到一倍或几倍单胞的平移。,于是，每次的平移量是一个或,n,个单位重复距离的,1/n,倍。,38,（,6,）螺旋旋转,39,（,6,）螺旋旋转,40,（,6,）螺旋旋转,41,（,6,）螺旋旋转,42,（,7,）滑移反映,对称操作：滑移反映,对称元素：滑移面,（反映加平移）,轴向滑移,a,b,c,晶体中有三种不同类型的滑移面：,对角线滑移,n,“,金刚石,”,滑移,d,在所有滑移中，都是对平面进行反映后再平移单胞周期的某一分数距离。在这里，两步操作的先后次序也是不重要的。,43,（,7,）滑移反映,轴向滑移,在轴向滑移中，平移矢量,平行于,反映面，大小是单胞轴长的一半。,按照进行平移的轴向，把轴向滑移分为,a,滑移，,b,滑移和,c,滑移。至于伴随这种平移的反映面，可以是,ab,bc,ca,中的某一个平面。确切地说，究竟哪一个平面包含在某个一定的轴向滑移之中，这与所考虑的空间群有关，通常由空间群符号可以弄清楚这一点。,44,（,7,）滑移反映,轴向滑移,注意，轴向滑移中的反映面不可能与滑移方向垂直。,例如，反映面垂直于,a,轴的,a,滑移图形，实际是镜面操作。,右图是反映面垂直于,a,轴的,b,滑移。,同反映操作一样，滑移操作产生原来物体的对形体，,所以在图中用加逗点的圆圈表示。,45,（,7,）滑移反映,对角线滑移,对角线滑移，通常称为,n,滑移。,它包括两个或三个方向合成的滑移。,一般说来，平移是,(a+b)/2,(b+c)/2,或,(c+a)/2,。,但是，在四方晶系和立方晶系中，,n,滑移也可能包括,(a+b+c)/2,的滑移。,需要指出的是，在,n,滑移操作中，,(,以及在后面讨论的,d,滑移中,),，滑移方向可能有一个垂直于反映面的分量。这种情况只在四方晶系和立方晶系中出现。,右图是反映面垂直于,c,轴的,n,滑移。这里，点,(x,y,z),平移了,a/2+b/2,后再对滑移面反映。,46,（,7,）滑移反映,金刚石滑移,金刚石滑移或,d,滑移。,在这种滑移中，平移是四方和立方晶系中的,：,47,晶体中可能存在的全部对称操作,对称元素,符号,对称操作,阶次,特点,1,、旋转轴,n(Cn),旋转,n,完全相等图形重合，,左右手不重合。,2,、反映面,m(,),反映,2,左右手重合，一次反映不能使完全相等图形重合。两个等同图形中相应点连线垂直反映面。,3,、对称中心,(i),反演,2,左右手重合，一次反演不能使完全相等图形重合。两个等同图形中相应点连线通过对称中心。,4,、点阵,t,(,整数,),平移,只能使相等图形重合，,左右手不重合。,48,对称元素,符号,对称操作,阶次,特点,5,、反轴,旋转反演,非真旋转,n(,n,偶数,),2n(,n,奇数,),只能使左右手重合。,6,、螺旋轴,Rq,螺旋旋转,相等图形重合，,左右手不重合。,7,、滑移面,a,，,b,，,c,，,n,，,d,滑移反映,左右手重合，,相等图形不重合。,总结：（,1,）,1,，,2,，,3,，,4,是简单操作。,5,，,6,，,7,是复合操作。,（,2,）,1,，,2,，,3,，,5,点式操作，至少有一点没动。,4,，,6,，,7,非点式操作，所有点都动，阶次为。,（,3,）含反演、反映的，左右手重合。,不含反演、反映的，相等图形重合。,（,4,）对称轴：旋转轴，反轴，螺旋轴统称为对称轴。,对称面：反映面，滑移面统称为对称面。,49,对称元素在晶体点阵中的取向要受到点阵的限制,对称元素在晶体的点阵中的取向一定要受到点阵的限制。,(,即晶体的点阵结构使晶体的宏观对称性受到了限制。,),这种限制有两方面的含义：,在晶体的空间点阵结构中，任何对称轴,(,包括旋转轴、螺旋轴,及反轴,),都与一组直线点阵平行，除一重轴外，任何对称轴还,必与一组平面点阵垂直；任何对称面,(,包括反映面和滑移面,),都,必与一组平面点阵平行，而与一组直线点阵垂直。,“,晶体中对称轴,(,包括旋转轴、反轴和螺旋轴,),的轴次,n,并不是,可以有任意多重，而是仅限于,n=1,2,3,4,6.,”,这一原理称为,“,晶体的对称性定律,”,。,50,1.3,对称元素在点阵中的取向,现在将向量,T,1,T,2,和,T,3,各分解为与三次轴垂直的部分,a,1,a,2,a,3,和平行的部分,c,1,c,2,c,3,则,a,1,+,a,2,+,a,3,=0,，,c,1,+,c,2,+,c,3,=3,c,1,，,于是可知，,T,1,+,T,2,+,T,3,=3,c,1,根据平移群的性质，,T,1,T,2,T,3,是平移群中的向量，则它们的和,3,c,1,也应是平移群中的向量；也就是说，在,c,1,的方向上，每隔,3,c,1,就有一个阵点，即有一组直线点阵与三次轴平行。,设在晶体结构中有一个,3,次旋转轴和一个属于平移群的向量,T,1,，此向量与,3,次旋转轴既不平行也不垂直。,这样，晶体结构的平移群中还应该包括向量,T,2,和,T,3,，它们和,T,1,可以通过,3,次旋转轴的对称动作彼此重合。,图,3,次旋转轴与点阵的关系,51,1.3,对称元素在点阵中的取向,现在将向量,T,1,T,2,和,T,3,各分解为,与三次轴垂直的部分,a,1,a,2,a,3,和平行的部分,c,1,c,2,c,3,则,a,1,+,a,2,+,a,3,=0,c,1,+,c,2,+,c,3,=3,c,1,于是可知：,T,1,-,T,2,=,a,1,-,a,2,，,T,2,-,T,3,=,a,2,-,a,3,，,根据平移群的封闭性，,这两个向量也应该属于平移群。,但这两个向量彼此不平行，而又都在与三次轴垂直的平面上。,这两个向量就决定了有一组平面点阵与三次轴垂直。,图,3,次旋转轴与点阵的关系,52,1.4,晶体中对称轴和反轴的轴次,由于晶体内部结构是以点阵结构为基础的，,受到点阵结构的限制，,晶体中对称轴和反轴的轴次不能是任意的，,下面将证明它只有,1,，,2,，,3,，,4,，,6,这五种轴次。,53,证明：,两个阵点,A,和,A,，相距一个平移单位,t,。将一定的旋转算符,R,和它的逆算符,R,-1,分别作用在这两个点上，从而得到两个新的点,B,和,B,。,(,每个对称操作的逆操作也是对称操作,),B,和,B,也应该是阵点，因此，,t=,mt,(m,是整数,),（,1,）,另外，从图中得到,t=,-2tcos,+t,（,2,）,联立（,1,）（,2,）得,cos,=(1-m)/2,54,证明：,t=,mt,(m,是整数,),（,1,）,t=,-2tcos,+t,（,2,）,cos,=(1-m)/2,m,是整数，那么,1-m,也是整数。,在给定的,R,操作下，为了使结果具有封闭性，,角必定在,0,度和,180,度之间，即,cos,在,+1,和,-1,之间。,|,cos,|1,|1-m|2,1-m=-2,-1,0,1,2,。,55,第二节 晶体的宏观对称性及,32,个点群,晶体在宏观观察中所表现的对称性称为宏观对称性。,晶体宏观对称性就是指晶体外形的对称性。,一般地讲就是指晶体的界限要素：晶面、晶棱、晶顶之间的对称关系。,56,2.1,晶体宏观对称元素,与点式操作相应的对称元素称为,宏观对称元素,，,它包括旋转轴，反映面，对称中心和反轴四类。,独立存在的有,8,种：,1,，,2,，,3,，,4,，,6,，,m,，,i,，。,57,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,描述晶体宏观对称性的宏观对称元素独立的只有,8,种。,一个具体的晶体外形所具有的宏观对称元素不外乎是这,8,种对称元素中的一种或者几种的组合。,一、例子。（书,P54,）,(a)1,个,3,3,个,m (b)3,个,2,3,个,m,i (c)1,个,4,4,个,2 (d)3,个,2,3,个,m,I,结论：不同外形具有相同的对称性。,58,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,二、,8,种宏观对称元素存在多少种组合方式？（,32,种）,对称元素的一种组合，就对应着一种对称类型。,对晶体外形而言组合要符合如下两个条件：,对称元素之间是有相互作用的，两个对称元素相结合，必,须要产生出新的对称元素来。,对称元素之间的组合不是任意的，它是遵守两种原则：,A,参加组合的对称元素必须至少相交于一点。,（相交于一点）,B,晶体是一种点阵结构，对称元素的组合结果，不容许产生,与点阵结构不相容的对称元素。例如产生,5,次或,7,次以上的,旋转轴的组合是不允许的。（保持点阵结构）,59,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,三、介绍三条组合定理：,1.,轴与轴的组合,a.,一个,n,次轴及与之垂直的一个二次轴存在时，则必有,n,个二次轴存在，且都与此,n,次轴垂直。,60,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,三、介绍三条组合定理：,1.,轴与轴的组合,b.2,次轴与,2,次轴相交，交角为,a,，则必产生一个,n,次轴，其基转,角为,2a,，且,n,次轴垂直于这两个,2,次轴。,61,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,三、介绍三条组合定理：,2.,面与轴的组合,a.,一个反映面包含着,n,次轴，则必有,n,个反映面都包含这,n,次轴，这些反映面的夹角为,360,度,/2n,。,62,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,三、介绍三条组合定理：,2.,面与轴的组合,b.2,个反映面交角为,a,，则交线为一个,n,次轴，基转角为,2a,。,63,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,三、介绍三条组合定理：,3.,轴、面、心的组合,偶次轴，与偶次轴相垂直的反映面，对称中心三者之中任何两者组合都产生第三者。,64,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,四、按照上述原则，将,8,种宏观对称要素进行组合，得到,32,种组合类型 即,32,种对称类型 即,32,个点群。,32,个结晶学点群：“结晶学”指,n=1,，,2,，,3,，,4,，,6,，无,n=5,及以上。,另：,8,种宏观对称要素组合得,32,种组合方式，每一种组合表示晶体得一种对称类型，称为点群。,“点”指所有对称元素有一个公共点，它在全部对称操作过程中，始终保持不动。这个点被称为原点。,所以点群只有,32,种。,65,2.2,宏观对称元素的组合及,32,种对称类型,从宏观上看，晶体是有限的封闭的。,所以描述晶体宏观对称性的点群不能包含平移对称的操作。,(,因为平移后就不能保证自身重合。,),。,从微观上看，晶体是无限的，,为了描述晶体结构的对称性，应加上平移对称操作，这样便得到,230,种对称类型，称为空间群。,32,种点群：是晶体的宏观对称性。（外形）,32,种点群,+,平移,=230,种空间群,66,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,1.,特征对称元素与,7,个晶系,定义：特征对称元素是晶体微观结构中的平行六面体晶胞的类型在整个晶体外型上的反映，是能够直接观察的宏观对称元素。,根据特征对称元素及数目的不同，可将,32,个点群分为,7,类，正好对应于,7,类不同形状的晶胞，亦即,7,个晶系。表,3.3,，表,3.4,（书,P57,、,58,、,59,）,所以，可在晶体的宏观对称元素中找出相应的特征对称元素，作为实际划分晶体的依据。,在每个晶系包含的几个点群中，含有对称中心,i,的那个点群，其对称性在该晶系中是最高的，可为这个晶系的代表。,67,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,7,个晶系按照对称性的高低可归并为,3,个晶族。,即；高级晶族，指立方晶系；,中级晶族，包括六方，四方和三方三个晶系；,低级晶族，包括正交晶系，单斜晶系和三斜晶系。,“对称性的高低”，实际上是指晶胞的“规则性的强弱”。,把二重以上的对称轴叫做高次轴；具有不止一个高次轴的晶体，属于高次晶族（或高级晶系），属于立方晶系。,六方、四方、三方晶系，有一个共同特点，就是它们都有（而且也只有）一个高次轴。它们的规则性较弱，对称性较低于立方晶系，属于中级晶族（或统称为中级晶系）。至于另外三个晶系，统称为低级晶系。,68,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,69,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,2.,点群的表示符号,点群的国际符号是按照一定的顺序排列的数字和字母，这种排列的先后顺序叫“位序”，大多记三位，也有二位或一位的。“位序”在不同晶系中代表不同方向，但都与正当晶胞的,a,b,c,三个向量形成确定的关系，其具体规定见表,3.5,（书,P61,）。,“位序”上的数字或字母则表示与这个方向有关系的对称元素。在某一方向出现的旋转轴和反轴是指与这一方向平行的，而在某一方向出现的反映面则是与这一方向垂直的，如在某一方向同时出现旋转轴或反轴和反映面时，可用分数的形式表示，即将对称轴记在分子的位置，而将反映面记在分母的位置上。,例如：,2/m,70,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,71,国际符号中,3,个位置代表的方向,晶系,国际符号中位序相应的方向,选择晶轴的方法,立方,a,，,a,+,b,+,c,，,a,+,b,4,个,3,次轴,4,条体对角线，,立方体的三边即为,a,，,b,，,c,六方,c,，,a,，,2,a,+,b,c,6,，,a,、,b,2,或,m,四方,c,，,a,，,a,+,b,c,4,，,a,、,b,2,或,m,三方,c,，,a,注：三方晶系中,是以六方点阵的,a,，,b,，,c,来确定,c,3,，,a,、,b,2,或,m,a+b+c,，,a-b,3,次轴,体对角线，,平行六面体的三边即为,a,，,b,，,c,72,国际符号中,3,个位置代表的方向,晶系,国际符号中位序,相应的方向,选择晶轴的方法,正交,c,，,a,，,b,a,、,b,、,c,2,或,m,单斜,b,b,2,或,m,，,a,、,c,b,轴的晶棱,三斜,a,a,，,b,，,c,选三个不共面的晶棱,73,三方晶系和六方晶系,由于六方晶系和三方晶系都可以划出六方晶胞的点阵单位，它既满足三方晶系的对称性，也满足六方晶系的对称性。,不同的称呼是由于历史原因造成的。,六方晶系按六方点阵单位表达，均为素单位。,三方晶系按六方晶系表达时，一部分是素单位，另一部分为包含,3,个阵点的复单位，右图是同一点阵的两种划分，三方晶系的这两种点阵符号在空间群一直沿用着。,74,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,点群的熊氏符号：,（书,P60,）,符号,符号的意义,点群,数目,C,n,一个,n,次旋转轴,C,1,C,2,C,3,C,4,C,6,5,C,i,一个对称中心,C,i,1,C,s,一个对称面,C,s,1,C,3i,一个,3,次旋转轴和一个对称,中心,C,3i,1,C,nh,除,n,次轴外还有通过该轴的,水平对称面（,h,表示水平的,对称面）,C,2h,C,3h,C,4h,C,6h,（,C,1h,=C,s,）,4,75,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,符号,符号的意义,点群,数目,C,nv,除,n,次轴外还有通过该轴的垂直对称,面（,v,表示垂直的对称面）,C,2v,C,3v,C,4v,C,6v,4,D,n,有,n,次轴及,n,个与之垂直的,2,次轴,D,2,D,3,D,4,D,6,4,D,nh,除,D,n,外还有通过,n,个,2,次轴的水平对,称面,D,2h,D,3h,D,4h,D,6h,4,D,nd,除,D,n,外还有一个平分两个,2,次轴夹角,的对称面（,d,表示垂直的对称面，但,它位于对角线位置上，亦即位于相,邻的两个水平,2,次轴交角的等分线位,置上）,D,2d,D,3d,2,76,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,符号,符号的意义,点群,数目,S,n,n,次反轴,S,4,S,2,=C,i,S,3,=C,3h,S,6,=C,3i,1,T,4,个,3,次轴和,3,个,2,次轴,T,1,T,h,除,T,外还有垂直于,2,次轴的水平对称面,T,h,1,T,d,除,T,外还有一个平分两个,2,次轴夹角的,对称面,T,d,1,O,3,个,4,次轴，,6,个,2,次轴，,4,个,3,次轴,O,1,O,h,除,O,外还有一个垂直于,2,次轴的水平对,称面,O,h,1,77,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,表述点群时，一般将两种符号同时标出，以互相补充理解，,熊夫利斯符号在前，国际符号在后。,例如，,O,h,m3m,值得注意的是晶体的宏观对称性和组成晶族晶体的分子对称性是两个不同层次的对称性问题，两者不一定必须一致。,例如，晶态苯的正交结构为,D,2h,群，,而苯分子的正六边形结构则为,D,6h,群，两者显然不同。,78,2.3,点群按特征对称元素分类及点群的表示符号,总结：,7,个晶系,+,有心化,14,种布拉菲格子（即,14,种点阵类型）,8,个基本对称操作,+14,种布拉菲点阵,32,个点群,（即点操作）（即空间点阵）,基本对称操作,+,点阵,a,b,c,的限制,=,定为,7,个晶系,32,个点群,+,平移对称操作,230,种空间群,79,第三节,晶体的微观对称性及,230,个空间群,a.,一方面，由于晶体外形的对称性是其内部点阵结构（微观）,对称性的宏观表现，所以晶体所有的,宏观对称元素也应该是,晶体的微观对称元素,。,1.,晶体的微观对称元素,b.,另一方面，与有限的晶体外形不同，空间点阵是无限图形，,存在平移这样的空间对称操作，因此，晶体微观上还存在与,空间对称操作相应的一些对称元素。这类对称元素是有限大,小的图形中不可能有的。所以，晶体的点阵结构使晶体的微,观对称性在宏观对称元素基础上还,增加了下述三种类型,：,平移操作,点阵,，,螺旋旋转操作,螺旋轴,，,滑移反映操作,滑移面,。,晶体的微观对称性就是晶体内部点阵结构的对称性。,80,第三节,晶体的微观对称性及,230,个空间群,2.,晶体的微观对称类型与,230,个空间群,如前所述，,晶体的微观对称性是晶体点阵结构的对称性,，它与宏观对称性的根本差别是在宏观对称操作的基础上增加了点阵结构特有的平移操作，从而使晶体的微观对称性,不再具有点对称性质,。,如果在表示晶体宏观对称性的,32,个点群中增加平移操作,，则点对称性便失去使其不再是点群，,而成为空间群,；同时，平移操作的加入可能使点群中的,一个旋转轴变为好几个轴性对称元素，镜面亦然。,81,第三节,晶体的微观对称性及,230,个空间群,表示空间群的国际符号与点群的国际符号相似，只是,在位序前增加了点阵形式,。基于,230,个空间群是在,32,个,点群的基础上增加了平移操作而派生出的，故而属于同一点群的各种晶体可以隶属于若干个空间群。,例如点群为,C,2h,的各种晶体可分属下列,6,个不同的空间群。,这种群元素的增加必然引起群的数目的增加。正是这个原因，在将晶体的微观对称元素进行组合时，不同的组合情况不要遗漏，也不要重复，可得到,230,种不同的微观对称元素系列,，与这些微观对称元素系列,对应的,230,个空间群也就是晶体可能具有的微观对称类型（即可能有的空间点阵结构类型）,。,82,点群为,C,2h,的各种晶体可分属下列,6,个不同的空间群,空间群,点阵类型：简单格子,n=1,2,3,4,5,6,n,表示属于,C,2h,点群的第,n,空间群,2,1,次螺旋轴,c,滑移,点阵类型：底心格子,C,2h,点群,属于单斜晶系，,b,轴为主轴，,则,b,2,且,b,m,点群,宏观反映面在微观可能是反映面也可能是滑移面；,宏观旋转轴在微观可能是旋转轴也可能是螺旋轴。,83,第三节,晶体的微观对称性及,230,个空间群,空间群在具体测定晶体结构，或从测得的晶体结构区分不同的晶体物质方面有着重要的意义，它是,x-ray,晶体结构分析的基础。事实上，已经测知的晶体结构的类型远没有,230,种，大部分晶体的结构仅属于其中的,100,多种。,晶体结构中的对称性指晶体的微观对称性。,32,个,点群,+,平移,230,个,空间群,230,种空间群总结了晶体内部结构所有可能的类型。,即：晶体结构的对称性不能超出,230,种空间群的范围。而由晶体结构微观对称性决定晶体的外形和各种宏观性质的对称性，不能超出,32,个点群范围。,84,晶体的对称性,晶体,7,种形状,7,种晶体,14,种空,间点阵,230,个,空间群,32,个点群,点阵结构,内部结构,宏观对称性,八种对称 元素组合,按平行六面,体形状划分,晶格型式,按特征对称,元素划分,微观对称元素组合,对应关系,素、复单位区分,85,基本概念,（,1,）晶体，准晶体，玻璃体（,2,）点阵，阵点,（,3,）平移群,（,4,）直线点阵，平面点阵，空间点阵,（,5,）素向量，复向量，素单位，复单位,（,6,）平面格子，平面正当格子,（,7,）空间格子（晶格），空间正当格子（,7,种形状，,14,种型式）,（,8,）结构单元,（,9,）晶胞，素晶胞，复晶胞,（,10,）晶胞参数，原子坐标,（,11,）晶面，晶轴，晶棱,（,12,）晶面指数，晶向指数,（,13,）晶体宏观对称性，宏观对称要素，,晶体对称性定律，宏观对称类型,（,14,）微观对称性，微观对称要素，微观对称类型,（,15,）熊夫利斯符号，国际符号（说明符号,C,2h,5,的含义,),86,习题,1,1,、分别写出晶体中可能存在的独立的宏观对称元素,和微观对称元素，并说明它们之间的关系。,87,习题,1,答：宏观对称元素有：,1,，,2,，,3,，,4,，,6,，,i,，,m,，。,微观对称元素有：,1,，,2,，,2,1,，,3,，,3,1,，,3,2,，,4,，,4,1,，,4,2,，,4,3,，,6,，,6,1,，,6,2,，,6,3,，,6,4,，,6,5,，,i,，,m,，,a,，,b,，,c,，,n,，,d,，,点阵。,微观对称元素比宏观对称元素多相应轴次的螺旋轴和,相同方向的滑移面，而且通过平移操作其数目是无限的。,88,习题,2,2,、晶体不可能属于的点群是,_,。,A.,C,6v,B.,O,h,C.,D,5h,D.,T,d,答：,C,89,习题,3,3.,根据宏观对称元素知道某晶体属,D,2d,点群，由此可判断此晶体属于什么晶系？,A.,四方,B.,立方,C.,正交,D.,单斜,答：,A,90,习题,4,4.,国际符号 相对应的点群的熊夫利斯符号是,_,。,A.D,3h,B.C,6v,C.O,h,D.D,4h,答：,A,91,习题,5,5,、层状石墨分子中,C-C,键长为,142pm,，根据它的结构画出层状,石墨分子,的原子分布图，画出二维六方素晶胞，用对称元,素的图示记号标明晶胞中存在的全部六重轴，并计算每一,晶胞的面积、晶胞中包含的,C,原子数和,C-C,键,个数。,92,习题,5,(a),石墨层状分子结构的,原子分布图；,由图,(a),可见，在层状石墨分子结构中，六元环中心具有六重轴对称性，而每个,C,原子则具有六重反轴对称性。,晶胞边长,a,和,b,为：,a=b=2*142pm*cos30,=246pm,晶胞面积为：,a*b*sin60,=5.24*10,4,pm,2,晶胞中含,2,个,C,原子，,3,个,C-C,键。,(b),晶胞；,(c),全部六重轴；,93,习题,6,6,、画出层状石墨分子的点阵素单位，,及石墨晶体的空间点阵素单位，,分别说明它们的结构基元。,94,习题,6,答：,层状,石墨分子的,(a),晶胞结构；,(b),点阵素单位，,结构基元中含,2,个,C,原子。,石墨晶体的,(c),晶胞