晶体与空间群概述

点群空间群和晶体结构晶体是由原子、分子或离子组成的固态物质。

在结晶过程中，这些粒子以一种有序的方式排列，形成了晶体的特定结构。

晶体结构的研究是固体科学的重要分支之一，可以帮助我们理解固体的物理、化学性质以及它们在各种应用中的作用。

点群是空间中对称性的一种表示方式。

点群描述了一个结构中的元素在一组操作下保持不变的方式。

这些操作可以是旋转、翻转或镜像。

常见的点群包括旋转群、镜面群和反演群。

每个点群由一组操作组成，这些操作在结构中的每个点上施加时，都可以保持结构的不变性。

点群对于确定晶体结构的对称性非常重要，因为它可以帮助我们预测晶体的物理性质，例如电学性、磁学性、光学性等。

空间群是点群在三维空间中的扩展。

它描述了一个晶体结构在所有操作下的对称性。

空间群由点群以及平移操作组成。

平移操作使得结构在空间中移动，形成了无穷多的平行结构。

这些平行结构可以通过空间群中的平移操作进行描述。

空间群的数量非常庞大，目前已知有230个不同的空间群。

每个空间群都有一个唯一的编号和名称，用于标识它的对称性。

晶体结构是晶体中离子、原子或分子的排列方式。

不同的晶体结构由不同的元素组成，以及不同的点群和空间群类型。

它们可以由晶体学的X射线衍射实验来确定。

X射线衍射会产生一种特殊的模式，称为衍射图样。

通过对衍射图样进行分析，可以确定出晶体中的原子或离子的位置，从而推断出晶体的结构。

晶体结构是固体科学的基础，它们在材料科学、化学、凝聚态物理学等领域中有着广泛的应用。

通过对晶体结构的研究，可以优化材料的性能，设计新型材料，解释物质的性质，并探索新的应用领域。

总而言之，点群、空间群和晶体结构是固体晶体学中的重要概念。

它们描述了晶体的对称性以及晶体中原子、离子或分子的排列方式。

通过对晶体结构的研究，我们可以了解晶体物质的性质和行为，并为材料科学和应用领域提供基础性的知识。

晶体点群、空间群简要归纳本⽂只是很简要的归纳，具体内容还请见李新征⽼师群论书和其在蔻享的群论课。

另外推荐肖瑞春⽼师科学⽹博客的这篇博⽂，介绍了群论及后续的学习：若研究中涉及群论和物理性质相关，其中陈纲的《晶体物理学基础》书特别好，易懂，将主动变换和被动变换等分析得特别清晰，不过此书太厚，注意⽤到什么学什么，⽤minimized的知识来科研，否则被导师批评...1.对称操作、对称元素对称操作：保持系统不变的操作。

对称元素：它是⼀个⼏何实体，对称操作可以依据对称元素施⾏对称操作。

对称元素可以是点、直线、⾯等。

2.点群：1）定义：三维实正交群O(3)群的有限⼦群物理理解：实际上点群是实际的物理系统在三维空间的⼀些对称操作的集合。

这些对称操作会保持⼀个点不动。

2）点群分类第⼀类点群：只包含纯转动元素的点群。

第⼆类点群：点群中，除了纯转动元素，还包含转动反演元素的点群。

因为点群是O(3)群的⼦群，⽽O(3)群中有固有转动和⾮固有转动。

3）点群的性质{()}性质1：点群这个集合可以写成C k(2π/n)、IC k′2π/n′的形式，其中n,→k′,n′取有限个⽅向和值；C k(2π/n)是绕→k轴转2π/n⾓的操作。

性质2：设G是点群，K是G的纯转动部分，由于纯转动部分的乘积以及逆元必属于这个纯转动部分,所以K也是G的纯转动⼦群,即K=G∩SO(3)∘.点群G与其有限⼦群K的关系有以下三种可能的情况：1.G=K, 即点群只包含纯转动操作；称为第⼀类点群。

2.若点群G中除了纯转动操作，还包含纯空间反演操作I, 则可以通过G=K∪IK得到这种情况对应的第⼆类点群。

3.若点群G中除了纯转动操作，且G中不包含纯反演操作I时 , 此第⼆类点群G⼀定与⼀个第⼀类G+同构,其中，G+=K∪K+, ⽽K+定义为:K+={Ig∣g∈G,但g∉K}根据这⾥的第3点，可以知道构造这种情况对应的第⼆类点群的⽅法：根据⼀个已知的第⼀类点群K∪K+，即可以构造⼀个第⼆类点群K∪I K+.还可以证明K必须是K∪K+的不变⼦群，其阶数是K∪K+的⼀半。

晶体的对称群与空间群的分类与表示晶体是由原子、分子或离子按照一定的几何排列规律而形成的固体物质。

晶体的结构对于物质的性质和行为具有重要影响，而晶体的对称性则是晶体结构研究的核心之一。

晶体的对称群和空间群是描述晶体对称性的重要工具，本文将探讨晶体的对称群与空间群的分类与表示。

一、晶体的对称群对称群是指在某种操作下保持晶体结构不变的一组操作的集合。

晶体的对称群可以分为平移对称群和点群。

平移对称群是指晶体在平移操作下保持不变的一组操作，而点群则是指晶体在旋转、镜面反射和反演操作下保持不变的一组操作。

对于平移对称群，可以通过研究晶体的晶格来进行分类。

晶格是指晶体中原子、分子或离子排列的周期性重复结构。

根据晶格的性质，可以将晶体的平移对称群分为14种布拉菲格子。

这些布拉菲格子包括简单立方格子、体心立方格子、面心立方格子等。

每种布拉菲格子都具有特定的对称性操作，如平移、旋转和镜面反射等。

对于点群，可以通过研究晶体的晶体学元胞来进行分类。

晶体学元胞是指晶体中最小的重复单元，可以通过平移操作得到整个晶体。

根据晶体学元胞的对称性，可以将晶体的点群分为32种。

这些点群包括三角晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、菱面晶系和六方晶系等。

每种点群都具有特定的对称性操作，如旋转、镜面反射和反演等。

二、晶体的空间群空间群是指晶体在平移、旋转、镜面反射和反演等操作下保持不变的一组操作。

空间群是对称群的扩展，包含了更多的对称性操作。

根据晶体的对称性，可以将晶体的空间群分为230种。

空间群的表示可以通过国际晶体学表（International Tables for Crystallography）中给出的符号来进行。

这些符号包括Hermann-Mauguin符号和Schoenflies符号。

Hermann-Mauguin符号是一种简化的表示方法，用来描述晶体的点群和空间群。

Schoenflies符号是一种更详细的表示方法，用来描述晶体的点群和空间群的具体对称性操作。

晶体的对称性与空间群3.1 晶格与非晶态物质不同，晶体中分子、离子或原子团在空间按照一定的规律排列而形成的固体物质。

也就是说，在晶体内部，分子、离子或原子团在三维空间以某种结构基元（structural motif）(即重复单位)的形式周期性的排列。

只要知道其中最简单的结构基元，以及他们在空间平移（translation）的向量长度与方向，就可以得到原子或者分子在晶体中的排部的情况。

结构基元可以是一个或者多个原子（离子），也可以是一个或者多个原子（离子），也可以是一个或者多个分子，每个结构基元的化学组成及原子的空间排列完全相同。

如果将结构基元抽象为一个点，晶体中分子或原子的排列就可以看成点阵（lattice）。

也就是说，晶体的结构=结构基元+点阵。

单晶体都属于三维点阵，为了直观，这里采用简化的二维点阵来说明。

图 3.1（a）显示[Cu2(ophen)2]分子[1]在晶胞中二维平面上的排列，其中每个结构基元一个[Cu2(ophen)2]分子，可以抽象为一个点阵点，从而形成一个点阵，如图3.1（b）所示。

显然，每个点阵点按在空间排列而成的平面，点阵的单位向量平移，就与另一个点阵点（即分子）完全重叠。

可以用三个互相不平行的单位向量a, b 和c描述点阵点在空间的平移，通过这个向量的操作，可以得到整个点阵。

点阵中任意点可以用向量r表示。

r=n1a+n2b+n3c(3.1)其中n1, n2和n3为整数。

点阵是抽象的数学概念，其原点可以任意选定。

需要指出的是，晶体学上的坐标系均采用右手定则，即食指代表x轴，中指代表y轴，大拇指代表z轴。

3.1.1晶胞参数晶体的空间点阵可以选择三个互相不平行的单位向量a，b和c，用它们可以画出一个六面体单位，称为点阵单位。

相应地，按照晶体结构的周期性所划分的六面体单位就叫晶胞（cell）.三个单位向量的长度a,b和c以及它们之间的夹角α，β，γ就叫晶胞参数（unit cell parameters）其中，α是b和c的夹角，β是a和c的夹角，γ是a和b的夹角（图3.2）。