5、晶体的对称性

,1.6晶体的对称性一些晶体在几何外形上表现出明显的对称、如立方、六角等对称对称性不仅表现在几何外形上，而且反映在晶体的宏观物理性质中对称性是物理学当中非常基本的概念。晶体具有各种宏观对称性，原因就在于原子的规则排列。对称性的本质是指系统中的一些要素是等价的。对称性越高的系统，描述起来就越简单，需要独立地表征的系统要素就越少。,2010年10月5日两位科学家因石墨烯研究获诺贝尔物理学奖,两位在俄罗斯出生的英国曼彻斯特大学科学家安德烈-盖姆和康斯坦丁-诺沃肖洛夫10月5日因为对石墨烯的“突破性实验”而获得2010年诺贝尔物理学奖，这种材料预计将在电子学发挥重要作用。,诺沃肖洛夫是自1973年以来最年轻的物理学奖得主。1974年出生,石墨烯是一种只有原子那么厚度的碳薄片-二维结构材料。颁奖状称，就石墨烯进行的实验可以用来研发新物质，生产创新型电子产品。盖姆和诺沃肖洛夫通过实验表明石墨烯具备非凡的特质，这些特质来自不同寻常的量子物理学世界。,作为一种物质，它是全新的。作为二维结构单层碳原子材料，强度相当于钢的100倍。作为一种电导体，它的性能可以铜相提并论。作为一种热导体，它的表现超出了任何其它已知材料。,瑞典皇家科学院称：“由于它实质是一种透明的、非常好的导体，石墨烯可以用来生产透明触摸屏、灯光板、甚至是太阳能电池。它是一种完美的原子晶格。”,Page4,石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。层与层之间附着得很松散，容易滑动，使得石墨非常软、容易剥落。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。,碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳能以截然不同的形式存在，可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。2010年诺贝尔物理学奖所指向的，是碳的另一张奇妙脸孔：石墨烯。,1.6晶体的对称性一些晶体在几何外形上表现出明显的对称、如立方、六角等对称对称性不仅表现在几何外形上，而且反映在晶体的宏观物理性质中对称性是物理学当中非常基本的概念。晶体具有各种宏观对称性，原因就在于原子的规则排列。对称性的本质是指系统中的一些要素是等价的。对称性越高的系统，描述起来就越简单，需要独立地表征的系统要素就越少。,在晶格这个物理系统中，一种对称性，是指某些要素互相等价，而互相等价的要素就是晶格中的几何形体：点、线、面。为了清楚地显示出某一种点阵对称性，需要进行相应的对称操作。点阵对称操作：假设在某一个操作过后，点阵不变，也就是每个格点的位置都得到重复，那么这个平移、旋转或镜反射操作就叫一个点阵对称操作。,按照空间群理论，晶体的对称类型是由少数基本的对称操作(8种)组合而成对点阵对称性的精确数学描述，需要用点群和空间群的概念。如果基本对称操作中不包括平移，则组成32种宏观对称类型，称为点群如果包括平移，就构成230种微观的对称性，称为空间群。,线性变换晶体的对称性:晶体经过某种操作后恢复原状的性质在操作前后应不改变晶体中任意两点间的距离如用数学表示，这些操作就是熟知的线性变换设经过某个操作，把晶格中任一点X变为X，这操作可表示为线性变换：,式中,在数学上，xj,xk等也可认为是空间同一点在两个坐标系中的坐标，即,用矩阵表示，(1)式可表示为：,为转置矩阵，即行列互换所得矩阵。因此要求,操作前后，两点间的距离应保持不变，这要求：,转置运算：反序定律,正交矩阵的其它性质：(1)若A是正交矩阵，则|A|=1(2)设A、B是正交矩阵，则AB也是正交矩阵,(3)正交矩阵的转置矩阵仍是正交矩阵。(4)正交矩阵是可逆矩阵，且正交矩阵的逆矩阵是正交矩阵。,下面介绍几种简单操作的变换关系：,即A为正交矩阵。,一、转动,将某图形绕x1轴转过角，该图形中任一点变化关系如下：,则变换关系是,二、中心反演（i）取中心为原点，经中心反演后，图形中任一点：,也就是,如经此操作后，晶体与自身重合则为具有中心反演对称，常用字母i代表。,三、镜象（镜面）如以x30作为镜面，镜象对称操作是将图形的任何一点,我们注意到上面所考虑的几何变换（旋转和反射）都是正交变换（保持两点距离不变的变换）。如果一个物体在某一正交变换下不变，我们就称这个变换为物体的一个对称操作，显然，一个物体的对称操作愈多，就表明它的对称性愈高。,变为,四、基本的对称操作1、不包括平移的基本对称操作(a)n度旋转对称轴假设纸面上有一列格点，通过A点有一垂直于纸面的对称轴，当晶体绕其转动后与自身重合。在此对称操作作用下，B点转至B位置。由于晶格的周期性，B点应与A点等价，因此在B点必须也存在一转角为的垂直对称转轴，而且绕此轴转动（）角也必然是一对称操作。在此操作作用下，A点变至A点。,由几何关系得知ABAB；因而，晶体周期性必然要求AB为AB的整数倍，因为AB为此方向上格点排列的周期。但从图可见,因此12cosm式中m为整数。由于cos1，可得到当m为1、0、1、2、3时，分别为,即，晶体绕固定轴转动对称操作的转角只可能是,而n必须是1、2、3、4、和6，i为任意整数。常将这一类转动对称轴称作n度旋转轴，晶体周期性结构限制了只能存在2度、3度、4度和6度对称轴。,n=1相当于不变，即不施加任何操作，通常也看作一个对称操作。,例如：（a）表示方解石菱面体的3度转轴；（b）表示岩盐立方体的4度、3度及2度转轴。对于立方体而言，对面中心的连线为4度轴，不在同一立方面上的平行棱边中点的连线为2度轴，而体对角线为3度轴。,因此，立方体有三个4度轴，六个2度轴和四个3度轴。（c）表示硅酸鉀晶体的6度及2度转轴。,(b)中心反演使坐标r变成-r的操作称对原点的中心反演。经此操作后，晶体与自身重合则为具有中心反演对称，常用字母i代表。,(c)n度旋转反演轴晶体经绕轴作n度旋转与中心反演的复合操作后与自身重合则称其具有n度旋转反演轴对称。晶体由于受周期性的制约，也只可能有2、3、4、与6度旋转反演轴，分别用数字符号表示。,下图表示出n度旋转反演轴的对称性（操作的总效果一样）。,由图可见,就是对称心i，即,就是垂直于该轴的对称镜面，记为m，即镜面对称：镜面对称是晶体的一类很重要的对称性，用m表示。,金刚石结构或闪锌矿结构具有4度旋转反演轴。,必须注意的是：具有n度旋转反演轴对称的晶体不一定具有n度转轴与中心反演这两种对称性即具有复合操作对称性不一定意味着同时具备构成复合的操作的对称性。如具有单一操作的对称性，必具有由它们复合构成的操作的对称性。,综上所述，晶体的宏观对称性中有以下八种基本的对称操作，即,这些基本的对称操作可按一定的规律组合起来，就得到32种不包括平移的宏观对称类型。这种组合有一个共同的特点，就是其中所有的对称操作都使晶体中的某一点固定不动，因此常称这种组合为点对称性群，简称点群。,第一章晶体结构和X射线衍射,立方对称的48个对称操作称为立方点群Oh,2、包括平移的基本对称操作从微观结构上看，如按照操作后使晶体与自身重合的定义，晶体中还有螺旋轴与滑移面两类对称性。在这两类操作作用下，晶体中不再有任何固定不变的点存在，因而它们不属于点群操作。,T为转轴方向的晶格周期，l为某小于n的整数。晶体只能有1度、2度、3度、4度、6度螺旋轴。,金刚石结构具有4度螺旋轴对称取原胞（如图）上下底面心到该面一个棱的垂线的中点，联接这两中点的直线就是个4度螺旋轴；晶体绕该轴转90度后，再沿该轴平移a/4，能自相重合。,金刚石结构具有4度螺旋轴对称,(2)滑移反映面这是对某一平面作镜像操作后，再沿平行于镜面的某方向平移T/n周期的对称操作。（T是该方向上的周期矢量，n为2或4），操作后，晶体中的原子和相同的原子重合。,应当说明的是,对于宏观晶体而言:n度螺旋轴与n度旋转轴是等价的滑移面与镜面也是等价的，因为在宏观的范围通常观察不到原子间距数量级的平移。,将32种宏观点群再加上以上二类带平移的对称操作,结合起来就可以导出230种微观空间群。它们可以描写晶体所有可能的对称性，每种空间群对应于一种特殊的晶格结构。,晶体之星/,1.7晶体结构的分类,我们已经知道布喇菲格子可以由,的格矢表示。基矢a、b、c之间的关系，即其长度的异同和彼此间夹角决定了不同的布喇菲格子的类型。,前面我们已经看到晶体在宏观对称操作作用下，其空间格子必相应地变动。因此，布喇菲格子的形式，即三个基矢之间的关系必然受到宏观对称性的制约。晶格周期性，即空间格子对于对称性的制约，结果是只能有32种点群对称。反过来，点对称性对于空间格子的周期性即平移对称性的限制的结果是只能存在14种布喇菲格子（原胞）。,一、七大晶系：1850年，德国科学家布喇菲（AugusteBravais18111863）首先证明了三维晶格只有14种布喇菲点阵。这十四种布喇菲点阵按其惯用晶胞的对称性（基矢长短和夹角大小）特征划分为七大晶系（初基点阵加心14）：,7个晶系（crystalClasses）,二、布喇菲点阵符号（Bravaislatticenotation，简写为BLN）：在a,b,c矢量张成的单胞中，加入一个或几个格点以后，仍然是布喇菲点阵。符号为：P（简单）：每单胞一个原子。格点位置：000I（体心）：每单胞两个原子。格点位置：000，1/21/21/2F（面心)：每单胞四个原子。格点位置：000，01/21/2，1/201/2，1/21/20A（底心)：每单胞两个原子。格点位置：000，01/21/2B（底心)：每单胞两个原子。格