Симметрия молекул и кристаллов (стр. 1 из 4)

Симметрия молекул и кристаллов

Преобразования симметрии

1. Симметрия тела определяется совокупностью тех перемещений, которые совмещают тело с самим собой; об этих перемещениях говорят как о преобразованиях симметрии. Каждое из возможных преобразований симметрии можно представит в виде комбинации одного или нескольких из трех основных типов преобразовании. Этими тремя существенно различными видами преобразовании являются:

1 - поворот тела на определенный угол вокруг некоторой оси;

2 - зеркальное отражение в некоторой плоскости;

3 - параллельный перенос тела на некоторое расстояние.

Последним типом преобразований может обладать лишь бесконечная среда (кристаллическая решетка). Тело же конечных размеров (молекула) может быть симметрична только по отношению к поворотам и отражениям.

2. Если тело совмещается само с собой при повороте вокруг некоторой оси на угол j=2 p/ n , то такая ось называется осью симметрии n -го порядка и обозначается Cn . Число n может иметь различные целые значения n =2,3.4 ... Значение n=1 соответствует повороту на угол 2 p/1 , или 0 , т.е. соответствует тождественному преобразованию. Повторяя операцию Cn два, три и т.д. раз получаем поворот на угол 2 ×2 p/n , 3 ×2 p/n ,... и т.д. Эти повороты также совмещают тело само с собой и обозначаются Cn 2 , Cn 3 и т.д. Очевидно, что если n кратно p , то Cn p =Cn /p . Произведя преобразования n раз, мы вернемся в первоначальное положение, т.е. произведем тождественное преобразование, которое принято обозначать символом Е .

3. Если тело совмещается само с собой при зеркальном отражении в некоторой плоскости s, то такая плоскость называется плоскостью симметрии. Операцию отражения обычно обозначают также символом s . Очевидно, что двукратное отражение в одной плоскости есть тождественное преобразование ss-1 .

4. Одновременное применение обоих преобразований поворота и отражения приводим к так называемой зеркально-поворотной оси Sn . Тело обладает зеркально-поворотной осью n -го порядка, если оно совмещается с самим собой при повороте вокруг этой оси на угол 2 p/n и последующем отражении в плоскости sh , перпендикулярной к этой оси. Это новый вид симметрии, если n четное. Если n -нечетное, то применение этой операции n раз даст поворот на угол 2 p/n , а нечетное отражение в плоскости даст простое отражение. Только при четном n применение n раз этой операции даст тождественное преобразование, т.е. sS2p 2p =E . Зеркально-поворотное преобразование обозначается Sn . Поскольку при отражении в плоскости s , перпендикулярной оси Cn принято ставить индекс h при s плоскость обозначается sh . Важным случаем является зеркально-поворотная ось второго порядка S2 . Легко сообразить, что поворот на угол j с последующим отражением в плоскости sh , представляет собой преобразование инверсии I , при котором происходит отражение тела в точке пересечения оси C2 и плоскости sh . I=S2 =C2 × sh ; I × sh =C2 ; I ×C2 = sh , т.е. C2 , sh и I взаимно зависимы: наличие любых двух элементов приводит к существованию третьего.

5. Произведение двух поворотов вокруг осей, пересекающих в точке А есть также некоторое вращение вокруг оси, проходящей через точку А . Ось вращения и угол результирующего движения определяются осями и углами исходных поворотов. Произведение двух отражений s1 и s2 в пересекающихся под углом j плоскостях, эквивалентно повороту вокруг оси, совпадающей с линией пересечения этих плоскостей на угол 2 j , т.е. s2 s1 =C (2j). Действительно, умножая последнее равенство на s2 , получимs1 = s2 ×C (2 j), т.е. произведение поворота на угол 2 j и отражения в плоскости, проходящей через эту ось, эквивалентно отражению в другой плоскости, пересекающейся с первой под углом j.

Другой важный результат состоит в том, что произведения двух вращений на угол p вокруг пересекающихся под углом j осей U и V эквивалентно вращению вокруг оси ММ , перпендикулярной плоскости, в которой находятся оси U и V , на угол 2 j=2 (V,U). Действительно, при двух кратном вращении вокруг U и V линия ММ остается в прежнем положении, т.е. это вращение вокруг оси ММ . Для определения угла вращения рассмотрим саму ось U . Вращение вокруг U оставляет ее без изменений, а вращение вокруг V переводит ее в новое положение U` , так что угол между старым U и новым U` положением равен (U U`) =2 j.

Результат двух последовательных преобразований, вообще говоря, зависит от порядка, в котором эти операции производятся, так что операции не коммутируют. При записи сначала записывается операция, которая производится второй. Однако, следующие операции являются коммутирующими:

1. Два вращения вокруг одной и той же оси C n k C n l =C n l C n k .

2. Два отражения во взаимно перпендикулярных плоскостях - они эквивалентны вращению на угол p : sx × sy =C2 z = sy × sx ,3. Вращение и отражение в плоскости перпендикулярной этой оси Cn sh =Sn = sh Cn (т.е. вращательное отражение). Эту операцию можно рассматривать как фундаментальную.4. Вращение на угол p вокруг двух перпендикулярных осей: C2 x ×C2 y =C2 z .

5. Любой поворот C n , отражение sh и инверсия I (следствие 1 и 3).

Ясно, что для каждой операции симметрии R , которую можно применить к нему, имеется операция, отличающаяся от первой или идентичная ей, которая переводит тело в первоначальное положение. Это обратная операция R-1 R=Е

Операции симметрии

Рассматривая симметрию любой фигуры, мы должны среди всех возможных вращении и отражении выбрать те, которые приводят фигуру к совмещению с собой. Эти движения называются операциями симметрии. Операции симметрии надо отличать от элементов симметрии. Оси вращения типа Сn называются n кратными. Зеркально-поворотные оси называются также осями второго рода. В силу предыдущих соотношения имеют место следующие утверждения:

1. Пересечение двух плоскостей симметрии есть ось симметрии. Если угол между плоскостями p/n , то ось является n -кратной, т.е. поворот вокруг этой оси на угол 2 p/n совместить тело с самим собой.

2. Если плоскость симметрии содержит n -кратню ось, то существует еще n- 1 плоскостей симметрии, проходящих через ту же ось, причем угол между плоскостями p/n . Частный случай: ось С2 и две проходящие через нее ортогональные плоскости всегда существуют вместе.3. Ось четвертого порядка, плоскость перпендикулярная к ней и инверсия всегда существуют вместе, т.к C4 2 sh =S2 ºI .

4. Две двукратные оси, образующие угол p/n вызывают появление перпендикулярной к их плоскости n -кратной оси.5. Двукратная ось и перпендикулярная к ней n -кратная ось генерирует еще n-1 двукратных осей. Угол между ними p/n .

Группы операций симметрии

Система операций симметрии, характерная для данного тела, представляет собой частный случай совокупности, которая в математике называется группой. Набор элементов E , A, B, C ... образуют группу, если выполняются следующие четыре постулата:

1. Существует правило умножения, такое, что умножение двух любых элементов группы А и В даст третий элемент этой же группы С , т.е. А*В=С ;

2. Имеет место ассоциативный закон (АВ) С=А (ВС);

3. Каждая группа содержит идентичный элемент, для которого АЕ=ЕА=А ;

4. Каждый элемент группы имеет обратный Х=А-1 , такой, что А-1 А= =АА-1 . Обратный элемент может совпадать со своим прямым, например E-1 =E .

Очевидно, что система всех операции тела, включая и тожественную операцию Е , удовлетворяет перечисленным выше требованиям, и составляет таким образом группу. Однако понятие группы шире. Члены группы могут рассматриваться как отдельные абстрактные элементы, могут быть идентифицированы с вещественными или комплексными числами, с матрицами, с движением геометрической фигурой в пространстве. Правило умножения (композиция) элементов - это обычное умножение или матричное умножение. В случае обычного умножения четыре числа +1, - 1, +i, - i образуют группу, что нетрудно проверить:

1.1* (+1) =1; 1* (-1) =-1; 1* (+¤i) =i; 1* (-i) =-i;

1* (-1) =1; - 1* (+i) =-i; - 1* (-i) =i; i* (i) =-1; i* (-i) =1

2. [1* (-1)] *i=1 [ (-1*i)] =-i;

3. Е=1

4. i-1 =-i (-i) - 1 =-1 (-i) - 1 =i.

Если группа содержит конечное число элементов, она называется конечной группой, а число элементов n называется порядком группы. Если имеет место коммутативный закон АВ=ВА группа называется абелевой, но вообще говоря АВ ¹ВА . Пусть элементы группы Е, А, B, C, D, F расположены по строкам и столбцам. Произведение АВ пусть стоит на пересечении строки А и столбца В , тогда можно составить таблица умножения элементов:

Таблица 1.Таблица умножения группы

E A B C D F
E E A B C D F
A A B E D F C
B B E A F C D
C C F D E B A
D D C F A E B
F F D C B A E

Эти шесть элементов составляют группу. Каждое произведение содержится в группе. Каждый элемент имеет обратный. Группа не абелева, т.к, например, АС ¹СА .