第三章晶体对称PPT讲稿.ppt

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1、第三章晶体对称第1页，共44页，编辑于2022年，星期二对称性对称是一个很常见的现象。在自然界我们可观察到五瓣对称的梅花、桃花，六瓣的水仙花、雪花、松树叶沿枝干两侧对称，槐树叶、榕树叶又是另一种对称在人工建筑中，北京的古皇城是中轴线对称，在化学中，我们研究的分子、晶体等也有各种对称性，有时会感觉这个分子对称性比那个分子高，如何表达、衡量各种对称？数学中定义了对称元素来描述这些对称。第2页，共44页，编辑于2022年，星期二第3页，共44页，编辑于2022年，星期二第4页，共44页，编辑于2022年，星期二一、对称的概念一、对称的概念 对称就是物体相同部分有规律的重复对称就是物体相同部分有规律的

2、重复。如图如图如图如图I I I I一一一一43434343是由两个全等的三角形组成，但它并不是对称图形。因此，是由两个全等的三角形组成，但它并不是对称图形。因此，是由两个全等的三角形组成，但它并不是对称图形。因此，是由两个全等的三角形组成，但它并不是对称图形。因此，对称的图形还必须符合另一个条件，那就是这些相同的部分，通过一定的对称的图形还必须符合另一个条件，那就是这些相同的部分，通过一定的对称的图形还必须符合另一个条件，那就是这些相同的部分，通过一定的对称的图形还必须符合另一个条件，那就是这些相同的部分，通过一定的操作操作操作操作(如旋转、反映、反伸如旋转、反映、反伸如旋转、反映、反伸如旋

3、转、反映、反伸)可以发生重复，如图可以发生重复，如图可以发生重复，如图可以发生重复，如图I I I I一一一一41414141蝴碟的两个蝴碟的两个蝴碟的两个蝴碟的两个相同的部分可以通过垂直平分它的镜面的反映，彼此重合；图相同的部分可以通过垂直平分它的镜面的反映，彼此重合；图相同的部分可以通过垂直平分它的镜面的反映，彼此重合；图相同的部分可以通过垂直平分它的镜面的反映，彼此重合；图I I I I一一一一42424242的花冠通过围绕一报垂直它井通过它中心的直线旋转，可以多次重的花冠通过围绕一报垂直它井通过它中心的直线旋转，可以多次重的花冠通过围绕一报垂直它井通过它中心的直线旋转，可以多次重的花冠

4、通过围绕一报垂直它井通过它中心的直线旋转，可以多次重复其原来的形象。复其原来的形象。复其原来的形象。复其原来的形象。第5页，共44页，编辑于2022年，星期二二、二、晶体对称的特点晶体对称的特点1.1.所有晶体均有对称性所有晶体均有对称性 因为晶体具有格子构造，格子构造本身就是质点在三维空间周期性重复出现。2.2.晶体对称受空间格子构造规律的限制晶体对称受空间格子构造规律的限制3.3.晶体对称不仅外形上对称，其物理、化晶体对称不仅外形上对称，其物理、化学性质也体现在对称上学性质也体现在对称上第6页，共44页，编辑于2022年，星期二三、对称操作和对称要素三、对称操作和对称要素欲使对称图形中相同

5、部分重复，必须通过一定的操作，这种操作就称之为对称操作对称操作。在进行对称操作时所凭借的辅助几何要素(点、线、面)称为对称要素对称要素。晶体外形可能存在的对称要素和相应的对称操作如下：第7页，共44页，编辑于2022年，星期二1对称面(P)对称面是一个假想的平面；相应的对称操作为对于比平面的反映。它将图形平分为互为镜像的两个相等部分。对称面以P表示，在晶体中可以无或有一个或几个对称面（最多有9个，立方体中）。第8页，共44页，编辑于2022年，星期二第9页，共44页，编辑于2022年，星期二第10页，共44页，编辑于2022年，星期二晶体中对称面与晶面、晶棱可能有如下关系：1)1)垂直并平分晶

6、面；垂直并平分晶面；2)2)垂直晶棱并通过它的中心，垂直晶棱并通过它的中心，3)3)包含晶棱。包含晶棱。第11页，共44页，编辑于2022年，星期二2 2对称轴对称轴对称轴是一条假想的直线；对称轴是一条假想的直线；对称轴是一条假想的直线；对称轴是一条假想的直线；相应的对称操作是围绕此直线的旋转。当图形围绕此相应的对称操作是围绕此直线的旋转。当图形围绕此直线旋转一定角度后，可使相等部分重复。直线旋转一定角度后，可使相等部分重复。旋转一周重复的次数称为旋转一周重复的次数称为旋转一周重复的次数称为旋转一周重复的次数称为轴次轴次轴次轴次(n(n(n(n）。）。重复时所旋转的最小角度称重复时所旋转的最小

7、角度称重复时所旋转的最小角度称重复时所旋转的最小角度称基转角基转角基转角基转角a a a a，两者之间的关系为，两者之间的关系为n n360360360360a a。对称轴以对称轴以对称轴以对称轴以L L L L表示，轴次表示，轴次表示，轴次表示，轴次n n写在它的右上角，写作写在它的右上角，写作L L L Ln n。第12页，共44页，编辑于2022年，星期二晶体外形上可能出现的对称轴如图晶体外形上可能出现的对称轴如图I I4 4I I所列。所列。第13页，共44页，编辑于2022年，星期二 一次对称轴L1无实际意义，因为晶体围绕任一直线旋转360度。轴可以恢复原状。轴次高于2的对称轴，称高

8、次轴。图I一46举例绘出了晶体中对称轴L2 L3 L4和L6。第14页，共44页，编辑于2022年，星期二 晶体中不可能出现五次或高于六次的对称轴。这是由于它们不符合空间格子的规律。在空间格子中，垂直对称轴一定有面网存在，围绕该对称轴转动所形成的多边形应法符合于该面网上结点所围成的网孔。第15页，共44页，编辑于2022年，星期二图图图图1 11313垂直对称轴的面网的网孔垂直对称轴的面网的网孔垂直对称轴的面网的网孔垂直对称轴的面网的网孔a b c d f a b c d f 分别表示分别表示分别表示分别表示L2 L3 L4 L6L2 L3 L4 L6的面网的网孔，符合格子构造，的面网的网孔，

9、符合格子构造，的面网的网孔，符合格子构造，的面网的网孔，符合格子构造，e g e g h h分别表示的面网的网孔，不符合格子构造分别表示的面网的网孔，不符合格子构造分别表示的面网的网孔，不符合格子构造分别表示的面网的网孔，不符合格子构造第16页，共44页，编辑于2022年，星期二从书中图1-13可以看出，围绕L2、L3、L4、L6所形成的多边形，都能毫无间隙地布满平面，都可能符合空间格子的网孔。但垂直L5、L7和L8所形成的正五边形、正七边形和正八边形却不能毫无间隙地布满平面，不符合空间格子的网孔，所以在晶体中不可能存在五次及高于六次的对称轴，这一规律，称为晶体的对称定律晶体的对称定律。第17

10、页，共44页，编辑于2022年，星期二 在一个晶体中，可以无也可以有一种或几种对称轴，而每一种对称轴也可以有一个或多个。如立方体有3L44L36L2(图I一48)。在晶体中，对称轴可能出露的位置为晶面的中心、晶棱的中点或角项图I48a)。第18页，共44页，编辑于2022年，星期二3对称中心(C)对称中心是一个假想的点；相应的对称操作是对此点的反伸(或称倒反)。如果通过此点作任意直线，则在此直线上距对称中心等距离的两端，必定可以找到对应点。对称中心以字母C来表示。第19页，共44页，编辑于2022年，星期二第20页，共44页，编辑于2022年，星期二一个具有对称中心的图形，其相对应的面、棱、角

11、部体现为一个具有对称中心的图形，其相对应的面、棱、角部体现为反向平行。如图反向平行。如图I I4 410 a10 a，C C为对称中心，为对称中心，ABDABD与A A1B B1D D1 1为反向平行，图为反向平行，图I I410b因因ABABABAB与与A A1 1B1 1A A1 1BB1 1 各自尚存在对中心，所以两者既为反向平行，也为正向平行。第21页，共44页，编辑于2022年，星期二第22页，共44页，编辑于2022年，星期二第23页，共44页，编辑于2022年，星期二第24页，共44页，编辑于2022年，星期二第25页，共44页，编辑于2022年，星期二第26页，共44页，编辑于

12、2022年，星期二反伸操作”可与“反映操作”做对比，两者不同之点仅在于反伸凭借一个点，反映凭借一个面。第27页，共44页，编辑于2022年，星期二分子对称性的对称元素与对称操作分子对称性的对称元素与对称操作 对称元素对称元素对称操作对称操作名称名称符号符号 对称面对称面对称面对称面L L从平面的一侧反映到从平面的一侧反映到从平面的一侧反映到从平面的一侧反映到另一侧另一侧另一侧另一侧对称心对称心对称心对称心C C 所有原子以对称心互所有原子以对称心互所有原子以对称心互所有原子以对称心互相反演相反演相反演相反演倒转轴倒转轴倒转轴倒转轴L Li in n绕轴一次或多次转动，绕轴一次或多次转动，绕轴一

13、次或多次转动，绕轴一次或多次转动，并对直线上一点反伸并对直线上一点反伸并对直线上一点反伸并对直线上一点反伸映转轴映转轴映转轴映转轴L Ls sn n绕轴转动后，对垂直绕轴转动后，对垂直绕轴转动后，对垂直绕轴转动后，对垂直于轴的平面反映于轴的平面反映于轴的平面反映于轴的平面反映第28页，共44页，编辑于2022年，星期二四、四、对称型及其晶体分类对称型及其晶体分类第29页，共44页，编辑于2022年，星期二1.1.对称型概念对称型概念晶体中全部对称要素的组合称晶体的对称型，也称点群。对称型写法：先对称轴L（按高到低顺序）其后为对称面P 最后写对称中心C比如：立方体的对称型为3L44L36L29P

14、C第30页，共44页，编辑于2022年，星期二2.32种对称型种对称型A类：27种，高次轴不多于1个的对称型。B类：5种，高次轴多于一个的对称型。第31页，共44页，编辑于2022年，星期二第32页，共44页，编辑于2022年，星期二3.晶体的分类晶体的分类 三斜晶系（三斜晶系（L L1 1 、C C）低级晶族 单斜晶系（有一个L2 或或P）（不含高次轴）（不含高次轴）斜方晶系（斜方晶系（L2 2或或P多于一个多于一个 ）三方晶系（有一个三方晶系（有一个L L3 3）三大晶族三大晶族 中级晶族中级晶族 四方晶系（有一个四方晶系（有一个L L4 4或或L L4 4i i）（有一个高次轴）六方晶系

15、（有一个L L6 6或或L L6 6i i）高级晶族高级晶族 等轴晶系（有等轴晶系（有4 4个个L3 3）（有多个高次轴）（有多个高次轴）第33页，共44页，编辑于2022年，星期二根据晶体对称的特点可以对晶体进行合理的科学分类。根据晶体对称的特点可以对晶体进行合理的科学分类。晶体分类体系：三大晶族、七大晶系、三十二晶类晶体分类体系：三大晶族、七大晶系、三十二晶类 首先，把属于同一对称型的晶体归为一类，称为晶类。晶首先，把属于同一对称型的晶体归为一类，称为晶类。晶体中存在体中存在3232对称型，亦即有对称型，亦即有3232晶类。根据是否有高次轴以及有一个或多个高次轴，把32个对个对称型归纳为低

16、、中、高级三个晶族。称型归纳为低、中、高级三个晶族。在各晶族中，再根据对称特点划分晶系，晶系共有七个。在各晶族中，再根据对称特点划分晶系，晶系共有七个。它们是属于低级晶族的三斜晶系它们是属于低级晶族的三斜晶系(无对称轴和对称面无对称轴和对称面)、单、单斜晶系斜晶系(二次轴和对称面各不多于一个)和斜方晶系和斜方晶系(二次二次轴或对称面多于一个轴或对称面多于一个)；属于中级晶族的四方晶系(有一有一个四次轴个四次轴)、三方晶系、三方晶系(有一个三次轴有一个三次轴)和六方晶系和六方晶系(有一个六有一个六次轴次轴)；属于高级晶族的等轴晶系(有四个三次轴有四个三次轴)。第34页，共44页，编辑于2022年

17、，星期二低级晶族（无高次轴）低级晶族（无高次轴）三斜晶系（无三斜晶系（无L2，无，无P）n n单面晶类单面晶类单面晶类单面晶类 n n平行双面晶类平行双面晶类平行双面晶类平行双面晶类 n n 单斜晶系（单斜晶系（L2或或P不多于不多于1个）个）n n轴双面晶类轴双面晶类轴双面晶类轴双面晶类 n n反映双面晶类反映双面晶类反映双面晶类反映双面晶类 n n斜方柱晶类斜方柱晶类斜方柱晶类斜方柱晶类n n 斜方晶系（斜方晶系（L2或或P多于多于1个个)n n斜方四面体晶类斜方四面体晶类斜方四面体晶类斜方四面体晶类 n n斜方单锥晶类斜方单锥晶类斜方单锥晶类斜方单锥晶类 n n斜方双锥晶类斜方双锥晶类斜

18、方双锥晶类斜方双锥晶类第35页，共44页，编辑于2022年，星期二中级晶族（只有一个高次轴）中级晶族（只有一个高次轴）三方晶系（有一个三方晶系（有一个L3）n n三方单锥晶类三方单锥晶类三方单锥晶类三方单锥晶类 n n三方偏方面体晶类三方偏方面体晶类三方偏方面体晶类三方偏方面体晶类 n n复三方单锥晶类复三方单锥晶类复三方单锥晶类复三方单锥晶类 n n菱面体晶类菱面体晶类菱面体晶类菱面体晶类 n n复三方偏三角面体晶类复三方偏三角面体晶类复三方偏三角面体晶类复三方偏三角面体晶类 第36页，共44页，编辑于2022年，星期二四方晶系（有一个四方晶系（有一个L4或或L4i）n n四方单锥晶类四方单

19、锥晶类四方单锥晶类四方单锥晶类 n n四方偏方面体晶类四方偏方面体晶类四方偏方面体晶类四方偏方面体晶类 n n四方双锥晶类四方双锥晶类四方双锥晶类四方双锥晶类 n n复四方单锥晶类复四方单锥晶类复四方单锥晶类复四方单锥晶类 n n复四方双锥晶类复四方双锥晶类复四方双锥晶类复四方双锥晶类 n n四方四面体晶类四方四面体晶类四方四面体晶类四方四面体晶类 n n复四方偏三角面体晶类复四方偏三角面体晶类复四方偏三角面体晶类复四方偏三角面体晶类第37页，共44页，编辑于2022年，星期二六方晶系（有一个六方晶系（有一个L6或或L6i）n n三方双锥晶类三方双锥晶类三方双锥晶类三方双锥晶类 n n复三方双

20、锥晶类复三方双锥晶类复三方双锥晶类复三方双锥晶类 n n六方单锥晶类六方单锥晶类六方单锥晶类六方单锥晶类 n n六方偏方面体晶类六方偏方面体晶类六方偏方面体晶类六方偏方面体晶类 n n六方双锥晶类六方双锥晶类六方双锥晶类六方双锥晶类 n n复六方单锥晶类复六方单锥晶类复六方单锥晶类复六方单锥晶类 n n复六方双锥晶类复六方双锥晶类复六方双锥晶类复六方双锥晶类 第38页，共44页，编辑于2022年，星期二高级晶族（有数个高次轴）高级晶族（有数个高次轴）等轴晶系（有四个等轴晶系（有四个L3）n n五角三四面体晶类五角三四面体晶类五角三四面体晶类五角三四面体晶类 n n偏方复十三面体晶类偏方复十三面

21、体晶类偏方复十三面体晶类偏方复十三面体晶类 n n六四面体晶类六四面体晶类六四面体晶类六四面体晶类 n n五角三八面体晶类五角三八面体晶类五角三八面体晶类五角三八面体晶类 n n六八面体晶类六八面体晶类六八面体晶类六八面体晶类 第39页，共44页，编辑于2022年，星期二对称型的国际符号对称型的国际符号（1）对称型中对称要素的国际符号对称型国际符号所采用的对称要素为对称面、对称轴和旋转反伸轴，对应符号分别为：对称面：m；一次、二次、三次、四次和六次旋转轴分别为：1、2、3、4、6；一次、二次、三次、四次和六次旋转反伸轴分别为：、。由于L1i=C，L2i=P，在国际符号中用表示对称中心C，用m表

22、示L2i。旋转反伸轴国际符号的读法为，先读旋转轴次，再读“一横”。例如读为“四，一横”。第40页，共44页，编辑于2022年，星期二（2）对称型国际符号的表示方法对称型的国际符号不超过三位，书写顺序有严格规定，随晶系的不同而不同，具体顺序见表1-3。国际符号的书写方法就是按表中要求的顺序写出各方向所含的对称要素符号。对称面的方向是其法线的方向。当轴向与对称面法线处同一方向时用分式表示，轴次作分子，对称面作分母，例如四次轴和对称面法线方向一致，此方向的国际符号写成4/m。第41页，共44页，编辑于2022年，星期二对称型国际符号中三个位的取向晶 系 第方向 第方向 第方向 等轴 c（a+b+c）（a+b）四方 ca（a+b）三方、六方 ca（2a+b）斜方 abc单斜 b三斜 c第42页，共44页，编辑于2022年，星期二举例：1、L44P-4mm第43页，共44页，编辑于2022年，星期二作业题n n1、形成晶体可以有哪些方式？n n2、详细叙述晶体的成长过程。n n3、何谓科塞尔理论?作图论证布拉维法则。n n4、简述一种人工合成晶体的方法。第44页，共44页，编辑于2022年，星期二