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二、与简单点群同态的空间群 可以由(Wi, 0)换成(Wi, wi)方法推导出来非点式空间群
三、空间群同形不变引伸原理简介 点群H
用点群P={Wi}中 的操作Wi引伸
点群Gp=H∧P
①查与Gp相协调的平移群T ②G=T∧Gp ③非点式替换
与点群Gp同态 的空间群G 与点群H同态 的空间群GH
用(Wi, wi)不变引伸
例三:与Pmm2同态的空间群的推导 利用商群 G/T与点群P同构(乘法表相同) G/T={T, T(W2,w2), T(W3, w3), …, T(Wh, wh)} P={1, W2, W3, …,Wh} P={mm2}={1, m[100], m[010], 2[001]} 乘法表有:(m[100])(m[010])=2[001] 与mm2同态的空间群有四个陪集: T, T(m[100], w2), T(m[010], w3), T(2[001], w4) 由乘法表:[T(m[100], w2)][T(m[010], w3)]=T(2[001], w4)] 由乘法公式: [T(m[100], w2)][T(m[010], w3)]=T(2[001], (m[100])w3+w2) 则有:(m[100])w3+w2=w4 (以tj为模) 即:w2,w3,w4是相互关联的 w2=k2a+(0,1)b/2+(0,1)c/2 (镜面在k2/2处) w3=k3b+(0,1)a/2+(0,1)c/2 (镜面在k3/2处) w4=(0, c/2) (坐标原点在轴上)
●空间群 (1) 点式空间群 当选择适当坐标,G可以按其点阵平称群T展开得到 的陪集为 G=T+T(W2,0)+…+T(Wh,0) 其陪集的代表操作(I,0), (W2,0),..全是点操作. -----对点式空间群G,它的点群P的对称操作也是G 本身的操作. -----点式空间群也可能有螺旋或滑移操作 (2) 非点式空间群 若无论如何选择坐标原点,无论选择陪集中的哪个 操作作为它的代表操作(Wi,wi),其中总有些wi不等于0.
(m[100])w3+w2=w4
四、11对相互对映的空间群 每对空间群中的一个是另一个的镜象(左右手关系)。 不含镜面或倒反,含有非中性螺旋轴。 相应晶体有旋光性(使偏振面旋转)。
§6-4 由与简单点群同态的空间群推导较复 杂的空间群
一、简单点群 即为32个点群中只含有一个对称元素的8个点群。 方法:通过往简单点群(H)上添加对称元素而得到其他点 群(Gp) Gp=H∧P
§6-2 点式空间群的推导
点式空间群G可表示为 G=T+T(W2,0)+T(W3,0)+…+T(Wh,0) 已知平移群T为G的不变子群,P为与G相对应的点群 则G是T与P的半直积群:G=T∧P T有14种,P有32种,但G并不是14X32个群元。 因为只能选取在P中的点群操作Wi的作用下,用平移群T 描述的晶体点阵不变。即平移群体T具有点群P所 描述的对称性。 ●与Bravais点阵相协调的点群之间相乘,如: 正交晶系的四种点阵P,C,I,F与三种点群222, mm2,mmm相乘,---12种空间群
方法:把点式空间群中的点操作(Wi,0)依次换成(Wi,wi), 2→21, 4 →41, 42, 43, m→a, b, c, n, d 抛弃其中不可能的组合,归并其中相同的, →230种空间群 例一:与点群4(C4)同态的空间群的推导 同态的点式空间群:P4,I4 →P41,P42,P43,I41,I42,I43
~ = (W,w ) x = Wx + w x
证明所有(W,w) 操作构成一个群. 封闭性;单位元;逆元;结合律。---------成群 实仿射群有一个由纯平移(I,t)组成的子群,为不变子群
(W,w )(I,t )(W,w )
−1
= ( I,Wt )
仍为一纯平移
二、空间群及其与点阵平移群和晶体学点群的关系 1、空间群 (1)定义:晶体学空间群就是使某个三维周期性的客体 (晶体)变换成它自己(复原)的几何对称操作(平 移,点对称操作及两者组合操作)的集合。 (2)空间群(G)是实仿射群的子群 ●晶体的平移周期性决定了空间群的对称操作(W,w) 中的不能是任意量的旋转操作,只能是1,2,3,4,6轴的 旋转或旋转倒反操作 ●(W,w)中的平移量w也不能是任意的. w=wl+wg 内 禀平移分量wg则与坐标原点选取无关,只能取一定的 值。
《晶体学中的对称群》 Crystallographic Symmetry Group
中国科学院金属研究所 隋曼龄
2007.3.1-4.6
主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 对称操作 二维晶体学 群论初步 晶体学点群 点阵、晶系与晶体学中的坐标系 空间群的推导 空间群图表的认识与使用 空间群与晶体结构及相变
¼ a
c
●只要某空间群的点群是11个中心对称的点群之一,则 必有一个陪集 T( 1 , w ) 是的形式。 ●1与w+tj平移组合后,仍为倒反操作,但倒反中心移 至(w+tj)/2。tj为该空间群的任意一个点阵平移矢 量,可见该空间群有许多对称中心。 ●中心对称的空间群共有90种 ●对于中心对称的空间群,习惯把坐标原点放在对称中 心处。 对称中心位于:x/2, ¼+y/2, -¼+z/2 则有:x=0, y=-1/2, z=1/2 (以tj=uja+vjb+wjc为模) 即:21[010]位于:uj/2, 0, wj/2+1/4 c[010]位于:0, vj/2+1/4, 0
引伸时要求m,a,b,n,d能把与点群4同态的空间群分别变 换成它们自己,即只能将上述空间群中的对称元素配置所具备 的m, a, b, n, d对称性组合进去。 (1) 只含中性轴的空间群P4,P42,I4可与m,n组合,但不能与a,b 组合。且有I4/m=I4/n。 (2) 含有非中性轴的空间群I41不能与m,n组合(41→43),但可与 a,b组合(41→43)。I41/a=I41/b。
2、点阵平移群 定义: 规定结合规则为矢量加法,规定零矢量为全同操作, 则平移操作的集合构成一个无限群---点阵平移群(T)
T = {( I , t j )}
t j = u j a + v jb + w j c
性质: (1)平移群是交换群(由于矢量加法遵从交换律) (2)平移群是空间群的一个子群,而且是不变子群 证明:空间群的点阵平移是该空间群G的一个不变子群 ---空间群中任一操作(W,w)变换(I, tj) ---仍是一个纯平移操作 ---由封闭性知,属于空间群的平移操作
P4
I4
P4
P41
P42 P43
I4
I41 I42=I4 I41=I43
例二:单斜晶系13种空间群的推导 单斜晶系:P,C b∥2,b⊥m 同态的点式空间群:P2, C2, Pm, Cm, P2/m, C2/m 2→21, m→a, c, n a P2 →P21 C2 →C21 = C2 Pm →Pc (Pa, Pn) C2 c Cm →Ca=Cm,Cc=Cn P2/m →P21/m,P2/c,P21/c C2/m →C21/m=C2/a=C21/a=C2/m C2/m →C2/c=C2/n=C21/c=C21/n a ¼ ¼ a ¼ a 1/4 1/4
●在证明P与G/T之间同构关系时,实际上也证明了: 旋轴的轴次与旋转轴的轴次是一样的。 ●空间群的点群就是让空间群对称操作中的所有平移 (包括点阵平移tj与小于初基平移的wi)都等于0 之后剩下的点对称操作的集合。 显然,空间群的点群必为32个晶体学点群之一。 ●空间群G与它的商群G/T同态,商群G/T与空间群的点 群P同构,则空间群G与它的点群P同态。 即每一个空间群总是与一个晶体学点群同态的。 ●空间群的点群P中的操作不一定是该空间群的对称操 作。如G中有41,但点群P中的4不一定是G中的 对称操作。
第六章 空间群的推导
§6-1 含有平移的操作构成的群 §6-2 点式空间群的推导 §6-3 由点式空间群推导非点式空间群 §6-4 由与简单点群同态的空间群推导较 复杂的空间群 §6-5 空间群的符号 §6-6 空间群的分类
§6-1 含有平移的操作构成的群
一、实仿射群:(Real affine group) 实仿射群是所有由点操作(包括纯旋转与非纯旋转) 与平移操作组成的复合操作 Seitz符号为 (W, w) 表示其中某一操作
§6-5 空间群的符号
一、Hermann-Manguin符号(国际晶体学表中采用) 由两部分组成: (1) 表示惯用晶胞有心类型的大写字母。 P,I,F,C或B或A,R,H → 14种Bravais点阵 (2) 表示空间群的对称元素的一组符号。 简略HM符号:尽可能略去对称轴。如:P bcn 完全HM符号:给出每一对称方向上的对称轴和对 21 2 21 称面两者。如: b c n ● 由简略HM符号的对称元素可以推导出完全HM符号中 那些多的对称元素。 ● 属于晶类 mmm, 4/mmm, 3m, 6/mmm, m3, m3m 的 空间群皆有简略HM符号。
⎛ a+b⎞ ⎜ I, ⎟ 2 ⎝ ⎠
2⊥有心面
⎛ b+c⎞ ⎟ ⎜ I, 2 ⎠ ⎝
2∥有心面
Cmm2与Amm2(或Bmm2)在物理上则是不同的空间群 此法可导出: 73个点式空间群,有*号的7个空间群是考虑到点群的对 称元素相对于晶胞的取向后得到的.
ห้องสมุดไป่ตู้
§6-3 由点式空间群推导非点式空间群
空间群G’
G=G’
不变引伸原则: 仅采用这样的(Wi,wi),它们作用到GH中的任何 一个对称元素上变换而得的对称元素仍为GH中的对称元素。 x, y=axa-1, a→(Wi, wi)