晶体的对称元素精选课件.ppt
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1、关于晶体的对称元素第一页,本课件共有49页一、对称的概念一、对称的概念是宇宙间的普遍现象。是自然科学最普遍和最基本的概念,是建造大自然的密码。对对称称是是指指物物体体或或图图形形中中相相相相同同同同部部部部分分分分作作有有规规律律的的重重复复。对对于于晶晶体体外外形形而而言言,就就是是晶晶面面与与晶晶面面、晶晶棱棱与与晶晶棱棱、角顶与角顶的有规律重复。角顶与角顶的有规律重复。第二页,本课件共有49页二、晶体的对称二、晶体的对称1.由由于于晶晶体体都都具具有有格格子子状状构构造造,而而格格子子状状构构造造就就是是质质点点在在三三维维空空间间周周期期重重复复的的体体现现,因因此此,所所以以的的晶体
2、都是对称的晶体都是对称的。2.晶晶体体的的对对称称受受格格子子构构造造规规律律的的限限制制。即即只只有有符符合合格格子子构构造造规规律律的的对对称称才才能能在在晶晶体体上上出出现现,因因此,此,晶体对称又是有限的。晶体对称又是有限的。3.晶晶体体的的对对称称既既然然取取决决于于格格子子构构造造,因因此此晶晶体体的的对对称称不不仅仅体体现现在在外外形形上上,也也体体现现在在物物理理性性质质上上(光光学学、力学、热学、电学性质)。力学、热学、电学性质)。4.是晶体的基本性质之一。是晶体的基本性质之一。5.是晶体科学分类的依据。是晶体科学分类的依据。第三页,本课件共有49页三、晶体的对称操作和对称要
3、素三、晶体的对称操作和对称要素 在对晶体的对称研究中,为使晶体上相同部分作有规律重复,必须借助一定的几何要素(点、线、面)进行一定的操作(如反映、旋转、反伸等)才能实现,这些操作称为对称操作对称操作(symmetry operation),在操作中所借助的几何要素,称为对称要素对称要素(symmetry elementsymmetry element)。对称面对称面(symmetry plane)对称轴对称轴(symmetry axis)对称中心对称中心(center of symmetry)倒转轴倒转轴(rotoinversion axis)第四页,本课件共有49页 对称面(对称面(P)对称
4、面是一个假想的平面,亦称镜面。与之相应的对称操作是此平面的反反映映。由这个平面将图形平分后成互为镜镜像像的两个相等部分,分别相当于物体本身和它的像。对称面必通过晶体的中心。m 对称面 非对称面第五页,本课件共有49页对称操作对称操作:对于此平面的对于此平面的反映反映标志标志:两部分上对应点的连线是否与两部分上对应点的连线是否与 对称面对称面垂直等距垂直等距 垂直并平分晶面垂直并平分晶面 垂直晶棱并通过它的中心垂直晶棱并通过它的中心 包含晶棱包含晶棱可能出现的位置可能出现的位置:数目数目:0 P 9第六页,本课件共有49页对称轴对称轴(L Ln n)定义定义:通过晶体几何中心的一根假通过晶体几何
5、中心的一根假 想的想的直线直线 对称操作对称操作:是围绕此直线的是围绕此直线的旋转旋转 特征特征:当图形围绕此直线旋转一定角度后,可使相当图形围绕此直线旋转一定角度后,可使相 同部分重复同部分重复(图形复原图形复原)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()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(n)(n)n=360 n=360 第七页,本课件共有49页二次对称轴(two-fold rotation)(L2)=360/2=180A Symmetrical PatternA Symmetrical Pattern66180 rotationto reprodu
6、ce a motif in a symmetrical patternMotifElementOperationOperationthe symbol for a two-fold rotationfirst operation stepsecond operation step第八页,本课件共有49页三次对称轴(Three-fold rotation)(L3)=360/3=120666step 1step 2step 3A Symmetrical PatternA Symmetrical Pattern120 rotationto reproduce a motif in a symmetr
7、ical patternOperationOperationthe symbol for a three-fold rotation第九页,本课件共有49页6666666666666662-fold3-fold4-fold6-fold其他的对称轴其他的对称轴(没有没有5-fold 和和 6-fold 的的)第十页,本课件共有49页 A.A.过一对平行晶面的中心过一对平行晶面的中心 B.B.过一对晶棱的中心过一对晶棱的中心 C.C.相对两角顶的连线相对两角顶的连线 D.D.角顶、晶面中心和棱中点任意两个的连线角顶、晶面中心和棱中点任意两个的连线 数目数目0 L2 60 L3 40 L4 30 L
8、6 1对称轴可能出现的位置为第十一页,本课件共有49页定义定义:位于晶体几何中心的一个假位于晶体几何中心的一个假想的点想的点 对称操作对称操作:是对此点的是对此点的反伸反伸 特点特点:如果通过此点作任意直线,则在此直线上距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上必定可以找到对应点对称中心等距离的两端上必定可以找到对应点 识别标志识别标志:两两成对两两成对 对对平行对对平行 同形等大同形等大 方向相反方向相反 对称中心对称中心(C)所有晶面第十二页,本课件共有49页旋转反伸轴旋转反伸轴(Lin)定义定义:一根过晶体几何中心假想的直线一根过晶体几何中心假想的直线对称操作对称操作
9、:围绕此直线的围绕此直线的旋转和旋转和对此直线上的一个点对此直线上的一个点反伸反伸 的的复合操作复合操作第十三页,本课件共有49页Li1=CLi2=PLi3=L3+CLi6=L3+PLi4第十四页,本课件共有49页值值得得指指出出的的是是,除除Li4外外,其其余余各各种种旋旋转转反反伸伸轴轴都都可可以以用用其其它它简单的对称要素或它们的组合来代替,其间关系如下:简单的对称要素或它们的组合来代替,其间关系如下:Li1=C,Li2=P,Li3=L3+C,Li6=L3+P 但一般我们在写晶体的对称要素时,保留但一般我们在写晶体的对称要素时,保留Li4 和和Li6,而其而其他旋转反伸轴就用简单对称要素
10、代替。这是因为他旋转反伸轴就用简单对称要素代替。这是因为Li4 不能被不能被代替,代替,Li6在晶体对称分类中有特殊意义。在晶体对称分类中有特殊意义。但是,在晶体模型上找但是,在晶体模型上找Li4往往是比较困难的,因为容易误往往是比较困难的,因为容易误认为认为L2。我们不能用我们不能用L2代替代替Li4,就像我们不能用,就像我们不能用L2代替代替L4一样。一样。因为因为L4高于高于L2,Li4也高于也高于L2。在晶体模型上找对称要素,在晶体模型上找对称要素,一定要找出最高的。一定要找出最高的。第十五页,本课件共有49页第十六页,本课件共有49页由由于于晶晶体体是是具具有有格格子子构构造造的的固
11、固体体物物质质,这这种种质质点点格格子子状状的的分分布布特特点点决决定定了了晶晶体体的的对对称称轴轴只只有有n n =1 1,2 2,3 3,4 4,6 6这五种,不可能出现这五种,不可能出现n=n=5 5,n n 6 6的情况。的情况。为什么呢?为什么呢?1 1、直观形象的理解:直观形象的理解:垂直五次及高于六次的对称轴垂直五次及高于六次的对称轴的平面结构不能构成面网,且的平面结构不能构成面网,且不能毫无间隙地铺满整个空间不能毫无间隙地铺满整个空间,即不能成为晶体结构。即不能成为晶体结构。晶体对称定律晶体对称定律第十七页,本课件共有49页2.2.晶体对称定律晶体对称定律数学证明方法:数学证明
12、方法:内容:只能出现轴次内容:只能出现轴次(n)为一次、二次、三次、四次和六次的对为一次、二次、三次、四次和六次的对称轴,而不可能存在五次及高于六次的对称轴。称轴,而不可能存在五次及高于六次的对称轴。轴次轴次 n 的确定的确定:n=360/a+2a cos =ma cos =(m-1)/2-2 m-1 2由于平行行列的结点间由于平行行列的结点间距相等,距相等,m只能取整数只能取整数m=3,2,1,0,-1 =0,60,90,120,180 n=1,6,4,3,2(但是,在准晶体中可以有(但是,在准晶体中可以有5、8、10、12次轴)次轴)第十八页,本课件共有49页1、至少有一端通过晶棱中点的对
13、称轴只能是几次对、至少有一端通过晶棱中点的对称轴只能是几次对 称轴?称轴?2、一对正六边形的平行晶面之中点的连线,可能是、一对正六边形的平行晶面之中点的连线,可能是 几次对称轴的方位?几次对称轴的方位?3、在只有一个高次轴的晶体中,能否有与高次轴斜、在只有一个高次轴的晶体中,能否有与高次轴斜 交的交的P或或L2存在?为什么?存在?为什么?思考题思考题第十九页,本课件共有49页四、对称要素的组合四、对称要素的组合 对称要素组合不是任意的,必须符合对称要素的组合定律;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。当对称要素共存时,也可导出新的对称要素。
14、第二十页,本课件共有49页对称要素组合定理:对称要素组合定理:定理定理1:如果有一个如果有一个L2垂直于垂直于Ln,则必有,则必有n个个L2垂直于垂直于Ln,Ln L2 LnnL2(任意两个相邻的任意两个相邻的L2的夹角是的夹角是Ln基转角的一半基转角的一半)。例如例如:L4 L2 L44L2,L3 L2 L33L2逆定理:逆定理:如果两个如果两个相邻的相邻的L2相交,在交点上垂直两个相交,在交点上垂直两个L2方向必会方向必会产生一个产生一个Ln,其基转角是两个,其基转角是两个L2夹角的两倍。并导出其他夹角的两倍。并导出其他n个个在垂直在垂直Ln平面内的平面内的L2。思考思考:两个两个L2相交
15、相交30,交点处并垂直交点处并垂直L2所在平面会产生什么对称轴所在平面会产生什么对称轴?第二十一页,本课件共有49页第二十二页,本课件共有49页定理定理2:如果一个对称面如果一个对称面P垂直于偶次对称轴垂直于偶次对称轴Ln(偶偶),交点必为对,交点必为对称中心:称中心:Ln(偶偶)P LnP C 。如。如L4 P L4PC 逆定理:逆定理:如果有一个偶次对称轴如果有一个偶次对称轴Ln(偶偶)与对称中心与对称中心C共存,则共存,则过过C且垂直于该对称轴必有一对称面且垂直于该对称轴必有一对称面P,即,即 Ln(偶偶)C LnP C。或,如果有一个对称面。或,如果有一个对称面P与对称中心与对称中心C
16、共存,则过共存,则过C且垂直于且垂直于P必有一个必有一个Ln(偶偶),即,即P C Ln(偶偶)P C这一定理说明了这一定理说明了L2、P、C三者中任两个可以产生第三者。三者中任两个可以产生第三者。因为偶次轴包含因为偶次轴包含L2。第二十三页,本课件共有49页定理定理3:如果有一个对称面如果有一个对称面P包含对称轴包含对称轴Ln,则必有,则必有n个个P同时同时包含包含Ln,即,即Ln P/LnnP/(相邻的两个(相邻的两个P的夹角为的夹角为Ln基转基转角的一半);如角的一半);如L3 P/L33P/逆定理:逆定理:两个两个对称面对称面P相交,其交线必为一相交,其交线必为一对称轴对称轴Ln,其基
17、转角为,其基转角为相邻两相邻两对称面对称面夹角的两倍,并导出其他夹角的两倍,并导出其他n个包含个包含Ln的的P。(定理(定理3与定理与定理1类似)类似)思考思考:两个对称面相交两个对称面相交60,交线处会产生什么对称轴交线处会产生什么对称轴?第二十四页,本课件共有49页定理定理4:如果有一个二次轴如果有一个二次轴L2垂直于旋转反伸轴垂直于旋转反伸轴Lin,或有一个对,或有一个对称面称面P包含包含Lin,当,当n为奇数时,必有为奇数时,必有n个个L2垂直垂直Lin或或n个个P包含包含Lin:当当n为偶数时,必有和为偶数时,必有和n/2个个L2垂直垂直Lin或或n/2个个P包含包含Lin;Lin
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