晶体的宏观对称性
晶体的宏观对称性
2 n
表1 描述晶体宏观对称性与分子对称性时常用 对称元素及与其相应的对称操作对照表
除了对称元素和对称操作的符号和名称的不完全相同外，晶 体的宏观对称性与有限分子的对称性最本质的区别是：晶体的点 阵结构使晶体的宏观对称性受到了限制，这种限制主要表现在两 方面： 在晶体的空间点阵结构中，任何对称轴(包括旋转轴、反轴 以及以后介绍的螺旋轴)都必与一组直线点阵平行，与一组 平面点阵垂直(除一重轴外)；任何对称面(包括镜面及微观对 称元素中的滑移面)都必与一组平面点阵平行，而与一组直 线点阵垂直。 晶体中的对称轴(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，n仅为1,2,3,4,6，即在晶体结构中，任何 对称轴或轴性对称元素的轴次只有一重、二重、三重、四 重和六重这五种，不可能有五重和七重及更高的其它轴次， 这一原理称为“晶体的对称性定律”。 所以，综合前面的讨论，由于点阵结构的限制，晶体中实际 存在的独立的宏观对称元素总共只有八种，见表2：
点
群 对称元素
称元素
无
序 熊夫里 国际记号 号 斯记号 1 2 3 4 5
abc
90
abc
斜
90
abc
cs c2 h
D2
D 2v
c1 ci c2
1
m
1 2 m 2
2
i
m 2, m, i
32 2, 2
低
正 两个互相垂 直的m或三 交 个互相垂的
组合程序： 组合时先进行对称轴与对称轴的组合，再在此基础上进行 对称轴与对称面的组合，最后为对称轴、对称面与对称中心 的组合。 按照以上程序及限制进行组合，我们可以得到的对称元 素系共32种，即32个点群：
晶体的宏观对称性
3
120
o
≠ 90 o
六方晶胞
a = b ≠ c
c 3v
D 3d
α = β = 90 γ = 120
o
20
续表：
对称 性的 高低 晶 系 特征对 晶胞类型 称元素 序 号 21 22 点 群 对称元素 熊夫里 国际记号 斯记号
c6
6
6
6 ( 3, m )
a=b≠c
中 六 方
c 3h
c6h
23 24 25 26 27 28
立
简单立方(P)
方
体心立方（I） 面心立方（F）
晶胞类型 ：
a=b=c
α = β = γ = 90o
立方为什么没有底心呢？ 因为假如有底心，将破坏立方 的3×C4的对称性，只有1×C4
如图
三方（R）
六方（H）
四方（P）
四方（I）
晶胞类型：
晶胞类型：
晶胞类型：
a=b=c
a =b ≠ c
α = β = γ < 120o ≠ 90o
i
m
32 2, 2 m 3 2 , 3 m, i
2
α = β = γ = 90
a=b≠c
7 8 9
D 2h
中
四 方
4
10
α = β = γ = 90 o 11
12
c4 s4
c4h
D4
222 mm 2 22 2 mmm 4 4 4 m 422
4
4 4 , m, i 4, 4 2
续表：
对称 晶 性的 高低 系 四 方 特征对 晶胞类型 称元素 序 号 13 14 15 菱面体晶胞 点 熊夫里 斯记号 群 国际记号 对称元素
晶体的宏观对称性
对称性：若一个物体（或晶体图形）当对其施行某
种规律的动作以后，它仍然能够恢复原状（即其中
点、线、面都与原始的点、线、面完全重合）时，
就把该物体（图形）所具有的这种特性称之为“对 称性”。
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对称条件
a〕物体或图形必须包含若干个彼此相同部分或本身可以被 划分若干个彼此相同部分。 b〕相同部分必须借助某种特定动作而发生有规律重复。 对称操作：能使对称物体或图形中各个相同部分作有规律
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表1.3 晶体的32种点群
晶系 三斜 单斜
m 2 2/m
正交
2 2 2 2/m 2/m 2/m
四方
4
菱方
3
3
六方
6
立方
2 3 2/m 3
4
2 m m 表1.3 1 晶体的32种点群
1
对 称 要 素
4 4/m
4 2m
6 6/m
6
1
3m 32
3 2/m
2 m
3 m 432
4 m m 4 2 2
对称中心 对称面 点
回转-反演轴 3次 4次 6次
直线
绕直线旋转
360 1 180 2 120 3 90 4 60 6
平面
直线和直线上的定点 绕线旋转+对点反演
对称操作
基转角α 国际符号
对点反演 对面反映
120 i
1
90
4
60
6
m
2
3
3+i
3+m
23晶体的对称性和分类
操作前后晶体保持自身重合的操作,称为对称 操作.
晶体借以进行对称操作的轴、平面或点.称为对 称元素（简称对称素）.
6)表示纯转动对称操作(或转动轴)；i表示中心反演
（或对称中心）；m表示镜面反映（或对称镜面）。
这种表示方法属于国际符号(International
notation)标记法，是海尔曼(Hermann)和毛衮
(Mauguin)制订的，在晶体结构分析中经常使用。
还有一套标记法，是固体物理中惯用的标记， 是熊夫利(Schoenflies)制订的，因此称为熊夫利 符号(Schoenflies notation). 熊夫利符号中Cn 表 示旋转轴；Sn 表示旋转反演轴；Ci 表示中心反 演；Cs 表示镜面反映。
x x
y
y
cos
z
sin
z
y
sin
z
cos
x 1 0 0 x
y0 cos siny z 0 sin cos z
所以，绕x轴旋转的变换矩阵为：
1 0
0
Ax
0
cos
sin
0 sin cos
同理可得绕y轴和绕z轴的变换矩阵
cos 0 sin
Ay
0
1
0
sin 0 cos
cos sin 0
晶体中允许的转动对称轴只能是1、2、3、4和6次轴， 称为晶体的对称性定律
晶体的对称性定律的证明 B
A
如图,A为格点,B为离A最近的 格点之一,则与 平A 行B 的格点
晶体的宏观对称性
5
2017/2/23
推论一：如果在偶次旋转轴上有对称中心，则必有一反映面 与旋转轴垂直相交于对称中心。
对称元素的组合：对称图形中具有两个（以上）对 称元素，通常用加号表示。如四次轴和对称中心的组 合表示为：4 i。
显然，如果对称图形具有两个（以上）对称元素， 它们的连续操作必定为复合对称操作。
镜转轴（象转轴）：图形绕一直线旋转一定角度后， 再以垂直于该直线的平面进行反映，相应的对称动 作为旋转和反映的复合操作。
反映面的惯用符号：P；国际符号：m；圣佛里斯符号：Cs
1
反映面的极射赤面投影
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立方体中的反映面
反映操作联系起来的两部分互为对映体。如晶体自身 存在反映面，该晶体不存在对映体。
九个反映面
六个反映面
三个反映面
对称中心的极射赤面投影
对称中心(centre of symmetry/inversion centre)：对称物体或 图形中，存在一定点，作通过该点的任意直线，在直线上 距该点等距离两端，可以找到对应点，则该定点即为对称 中心。相应的对称操作为反演。
第二章 晶体的宏观对称性
第一节 对称性基本概念 第二节 晶体的宏观对称元素 第三节 宏观对称元素组合原理 第四节 晶体的三十二点群
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点阵格子
晶胞
（等效）晶向指数
（等效）晶面指数
第一节 对称性基本概念
对称– 物体或图形的相同（equivalent）部分有规律的 重复。
对称动作（操作）– 使物体或图形相同部分重复出现 的动作。
C i(Ci)
1
P
L3i L4i L6i
晶体的宏观对称性
晶体的宏观对称性一宏观对称性晶体的点阵结构使晶体的对称性跟分子的对称性有一定的差别。
晶体的宏观对称性仍然具有分子对称性的4种类型，但受到点阵的制约：旋转轴和反轴的轴次只能为1、2、3、4、6等几种。
因此，宏观对称元素只有：n=1，2，3，4，6；i，m,二宏观对称元素组合和32个点群对于宏观对称元素而言，进行组合是必须严格遵从两个条件的限制：第一，晶体的多面体外形是一种有限图形，因而各对称元素组合必须通过一个公共点，否则将会产生出无限多个对称元素来，这是与有限外形相互矛盾的；第二，晶体具有周期性的点阵结构，任何对称元素组合的结果，都不允许产生与点阵结构不相容的对称元素（如5、7、…等），可产生32个点群。
三晶系根据晶体的对称性，按有无某种特征对称元素为标准，将晶体分成7个晶系：立方晶系：在立方晶胞4个方向对角线上均有三重旋转轴(a=b=c, α=β=γ=90)六方晶系：有1个六重对称轴(a=b, α=β=90;, γ=120;)四方晶系：有1个四重对称轴(a=b, α=β=γ=90;)三方晶系：有1个三重对称轴(a=b, α=β=90;, γ=120;)正交晶系：有3个互相垂直的二重对称轴或2个互相垂直的对称面(α=β=γ=90;)单斜晶系：有1个二重对称轴或对称面(α=γ=90;)三斜晶系：没有特征对称元素十四种空间点阵由于这些型式是由布拉维（A.Bravais）在1885年推引得出的，故也称为"布拉维空间格子"。
⑴简单三斜(ap)⑵简单单斜(mP)⑶C心单斜(mC,mA,mI⑷简单正交(oP)⑸C心正交(oC,oA,oB)⑹体心正交(oI)⑺面心正交(oF)⑽简单四方(tP)⑾体心四方(tI)⑻简单六方(hP)⑼R心六方(hR)⑿简单立方(cP)⒀体心立方(cI)⒁面心立方(cF)。
第三章 晶体的宏观对称性
第三章晶体的宏观对称性第一节对称性基本概念第二节晶体的宏观对称元素第三节宏观对称元素组合原理第四节晶体的三十二点群第一节对称性基本概念z对称–物体或图形的相同部分有规律的重复。
z对称动作（操作）–使物体或图形相同部分重复出现的动作。
z对称元素（要素）--对称动作所借助的几何元素（点、线、面）。
z晶体外形的对称为宏观对称性，晶体内部结构原子或离子排列的对称性为微观对称性。
前者是有限大小宏观物体具有的对称性，后者是无限晶体结构具有的对称性。
两者本质上是统一的。
宏观对称性是微观对称性的外在表现。
晶体的对称必须满足晶体对称性定律。
晶体对称性对称自身：国际符号为1，习惯记号为L1。
当它处于任意坐标中的坐标原点时，它的坐标是1(000)，所导出的一般位置等效点系为：x,y,z→x,y,z (1(000))反映面（reflection plane ）：对称物体或图形中，存在一平面，作垂直于该平面的任意直线，在直线上距该平面等距离两端上必定可以找到对应的点。
这一平面即为反映面。
相应的对称操作为反映。
反映面的惯用符号：P ；国际符号：m ；圣佛里斯符号：Cs反映面的极射赤面投影对称中心（inversion center)：对称物体或图形中，存在一定点，作通过该点的任意直线，在直线上距该点等距离两端，可以找到对应点，则该定点即为对称中心。
相应的对称操作为反演。
对称中心的惯用符号：C；国际符号：1；圣佛里斯符号：C对称中心的极射赤面投影返回旋转轴（rotation axe）：物体或图形中存在一直线，当图形围绕它旋转一定角度后，可使图形相同部分复原，此直线即为旋转轴。
相应的对称操作为旋转。
在旋转过程中，能使图形相同部分复原的最小旋转角称为该对称轴的基转角（α）。
任何图形在旋转一周（360o）必然自相重复，因此有：360/ α= n n正整数n表示图形围绕旋转轴旋转一周过程中，图形相同部分重复的次数，因此n定义为旋转轴的轴次。
晶体的宏观对称性
☆对称中心—C 操作为反伸，是位于晶体中心的 一个假想的点。 。只可能在晶体中心，只可能一 个。
对称中心（C）
总结：凡是有对称中心的晶体，晶面总是成对出现且两 两反向平行、同形等大。
L22P
L33P L44P L66P
Li2 L2P=L22P
Li3 3L2 3P= L3 3L2 3PC Li4 2L22P
3L2 3PC
L3 3L2 3PC L44L2 5PC
Li6 3L2 3P= L3 3L2 L66L2 7PC 4P
六、晶体的对称分类
1、晶族、晶系、晶类的划分，见表3-1。 这个表非常重要，一定要熟记。
四、对称要素的组合
在结晶多面体中，可以有一个对称要素单独存在， 也可以有若干各对称要素组合在一起共同存在。
◆ 对称要素组合不是任意的，必须符合对
称要素的组合定律； ◆ 当对称要素共存时，也可导出新的对称 要素。
定理1：如果有（能找到）一个对称面P包含Ln，则必有（必能 找到）n个对称面包含此Ln（Ln即为这n个对称面的交线）， 且任意二相邻P之间的交角δ等于 360 2n 。 简式为：Ln P// LnnP//； 逆定理：两个对称面P以δ相交，其交线必为一Ln，n 360 2
6）旋转反伸轴单独存在。可能的对称型为： Li1=C； Li2=P；Li3=L3C；；Li6=L3P。 7）旋转反伸轴Lin与垂直它的L2（或包含它的P）的 组合。根据组合规律，当n为奇数时LinnL2nP，可能 的对称型为：（Li1L2P=L2PC）；Li33L23P=L33L23PC； 当n为偶数时 Lin(n /2)L2(n /2)P，可能的对称型为： （Li2L2P=L22P）；Li42L22P；Li63L23P=L33L24P。
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晶体的宏观对称性
物理科学学院 季淑英 31
摘 要: 晶体是内部原子或离子在三维空间呈周期性重复排列的固体，通过对晶体三类宏观对称操作的介绍，找出了晶体的8种基本宏观对称操作。
关键词：对称中心； 反映面； 旋转轴
一 什么是晶体
人们最早认识晶体是从石英开始的，只知道它天然的具有规则的几何多面体，真正揭开晶体内部结构是在1914年，人类首次测定了Nacl 的晶体结构。
此后，人们积累大量测定资料开始认识到：无论晶体的外形是否规则，它们内部的原子有规则地在三维空间呈周期性重复排列。
所以，晶体是内部原子或离子在三维空间呈周期性重复排列的固体，或着说晶体是具有格子结构的固体。
而晶体的规则几何外形，只是晶体内部格子构造的外在部表现。
二 晶体的宏观对称
对称性是晶体的基本性质之一，一切晶体都是对称的；但不同的晶体的对称性往往又是互有差异的。
1 对称操作
对一种晶体而言,其内部结构的质点表现出某种对称性的规律排列,当在进行某种操作（线性变换）后能使自身复原,这种对称性是晶体的一个客观存在的基本性质,是晶体内部结构的规律在几何形状上的表现,晶体的许多宏观性质都与其结构上的对称性有密切关系。
对称操作：维持整个物体不变而进行的操作称作对称操作，物体在某一正交变换下保持不变，即：操作前后物体任意两点间的距离保持不变的操作。
一个物体的对称操作越多，其对称性越高。
例如密度ρ作为位矢r 的函数，即）r （ρ。
我们可以定义一个引起坐标变换的操作g 满足
’r gr r =→，
如果这导致
）r （）gr （）’r （ρρρ==
那么g 是）r （ρ的一个对称操作。
2 对称元素
对称操作过程中保持不变的几何要素：对称点，反演中心（i ）；对称线，旋转轴（n 或者n C ）和旋转反演轴（n ）；对称面，反映面（m ）等。
以上，考察在一定几何变换之下物体的不变性，使用的几何变换（旋转和反射）都是正交变换——保持两点距离不变的变换：
⎪⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛•⎪⎪⎪⎭⎫
⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛z y x a a a
a a a a a a z y x 3332
31232221131211，，，
其中，M 为正交矩阵，⎪⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=3332
312322
211312
11a a a
a a a a a a M 对称中心和反演（i ）
取晶体中心为原点，将晶体中任一点()z ，y ，x 变成()z -，y -，
x - ⎪⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=1-0001-0001-M
对称面和反映（m ）
以0z =作为镜面，将晶体中的任何一点()z ，y ，x 变成()z -y x ，
， ⎪⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=1-00010001M
n 次旋转对称轴（n 或者n C ）和n 次旋转反演轴（n ）
n 次旋转对称轴（n 或者n C ）
若晶体绕某一固定轴旋转角度/n π2=α以后能自身重合，则称该轴为n 次旋转对称轴。
定理1：晶体结构中允许的转动对称轴只能是1、2、3、4和6重轴 证明：
如图所示1A ，2A 为一列点阵上相邻的两格点，其周期为a 。
现晶体允许有n 次旋转轴通过格点，因为每个阵格的性质相同。
以a 作半径转动角为n
2π
=
α将可得到另一个格点。
绕1A 顺时针将2A 转α到格点1B ，而绕2A 逆时针将1A 转α到格点2B 。
1B 和2B 连线平行于1A ，2A 直线点阵，且1B 和2B 间的距离必须为a 的整数倍，设为ma ，m 为整数。
则有：
ma -180cos 2a a 0=+）（α
2
1cos m
-=
α 1|2
m
-1|
≤ m
αcos
/n 2π
n
-1 1 0360 1 0 1/2 060 6 1 0 090
4 2 -1/2 0120 3 3
-1
0180
2
由上表可知，晶体的旋转对称轴只能是1、2、3、4和6重轴。
晶体中只有1，2，3，4，6 次旋转轴，没有5次轴和大于6次以上的轴，可以直观的从只有正方形、长方形、正三角形、正六边形可以重复布满平面，而
5边形和(n>6)边形不能布满平面空间 来直观理解。
n 次旋转反演轴（n ）
绕某一对称轴旋转/n π2=α以后，再经过中心反演晶体能自身重合，则称该轴为n 次旋转反演轴，称n 次旋转反演轴，又称像转轴。
显然晶体的旋转反演
轴也只有1,2,3,4,6次，而不可能有5次或6次以上的旋转反演轴，用6，4，3，2，1
表示。
注意：只有黑色点具有旋转－反演轴对称关系
对于晶体的宏观对称性，有反演，反映，旋转轴三类对称操作，对应
643216,4,3,2,1，，，，，和i ，m 等12种操作，但这12种对称操作并不完全是线性无关
的（相互独立的），在研究晶体的对称性时，需要用三类操作的线性无关操作来简化问题。
定理2：在晶体的宏观对称性中，有以下8种基本对称操作元素，即
1，2,3,4,6，i ，m ，4
证明：
1表示中心反演，称为对称中心，即i 1=，2次旋转反演轴2代表垂直于该轴的
对称面（镜像）即m 2=。
3的效果和3次旋转轴加上对称中心i 的总效果是一样的。
6的效果和3次旋转轴加上垂直于该轴的对称面的总效果是一样的。
即i 1=，m 2=，i 33+=，m 36+=，在有1,2,3,4,6，i 和m 的情况
下，它们都不是独立的，唯有4是一个独立的对称元素和对称操作。
综上所得，在晶体的宏观对称性中，只有1，2,3,4,6，i，m，4这8种基本对称操作元素。
三总结
晶体的理想外形及其宏观观察中所表现出来的对称性称为宏观对称性，它与有限分子的对称性一样，也具有点对称的性质。
对称元素所对应的对称操作构成点群。
每个晶体的对称性是上述8种基本对称元素的可能组合，可以证明总共只能有32种不同的组合方式，称为32种晶体学点群。
点群反映的是晶体理想外形的对称性，根据晶体对称性的差异对晶体进行科学的分类，为晶体的研究提供理论基础。