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第三章 晶体几何学理论基础.pdf

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第三章 晶体几何学理论基础 对称性是一种规律的重复 , 具有变化中的不变性 , 是自然科学中一个重要的 基本概念。晶体就是指原子或分子在空间按一定规律重复排列构成的固体物质。晶 体结构的基本特征是其中的质点在三维空间作规律的重复排列。晶体结构研究的就 是揭示晶体内部原子和分子在空间排列上的对称规律 , 这种规律只有在晶体结构 中每个原子在空间相对位置揭示出来时才能得到完整证明。 1. 对称操作 晶体学中的对称图形是通过对称操作来表征的。 有公度的 周期平移对称操作 ( 晶体中 ) 无公度的 严格自相似准周期 对称操作 准周期平移对称操作 ( 准晶体中 ) 旋转 统计自相似准周期 点对称操作 反映 反伸 1.1 平移 11.1 平移对称的概念 在传统晶体学中 , 平移对称仅仅是指周期的或有公度的平移对称 , 不承认 5 次或高于 6 次等旋转对称轴的存在 , 因为这些轴次与有公度的平移对称是不相容 的 。据此理论 , 俄罗斯科学家费德洛夫于 1889 年完成了 230 个空间群的推导。 周期平移是晶体学中最基本的对称操作。它通过平移操作使晶体中的某个点或图 形在某些晶体学方向上作有规律的周期重复。晶体结构正是周期性平移操作的结果。 图 3.1 表示了周期平移对称性。将图中的一个星形图形的中心作为原点 A, 则图 中的其他星形图案均可通过对位于 A 的星形图案的平移来获得。可以将图案从 A 平移至 B 和 G , 也可将图案从 A 平移至 C 然后 再平移至 F 。 图 3.1 点阵平移的单位矢量的几种选择方法 1.1.2 空间点阵 在图 3.1 的单位平移中 , 有两个最短的矢量 , 如图 3.2 所示。原点的选择是 任意的,任何图案的平移都可以从图形的得意点开始描述。如将图案抽象成一个点, 通过上述的一套平移对称操作即可得到一套平面上点的集合,称为网格或二维点阵 ( 图 3.3) 。在空间三维情况下,称为空间格子或空间点阵,点阵中的每个点称为结点 或点阵点。 图3.2 单位网格的原点的选择是任意的 图3.3 二维点阵或网格 由两个平移矢量限定的区域叫做单位网格。在三维空间中,由3 个单位矢量所限 定的体积叫做单位晶胞。单位网格是一个平行四边形,而单位晶胞则是一个平行六面 体。 同一点阵可用不同的单位平移矢量套来描述 , 如图 3.1 表示 , 既可用 AG 和 AB 这一对矢量 , 也可用 AH 和 AI 这一对矢量来描述。对于同一点阵来说 , 可有 多种晶胞选取方式 , 通常将 2 个最短的不共面的单位平移矢量所限定的区域称为 约化晶胞 ( 简称约化胞 ) 。 单位平移符号用 t 表示 , 对于二维点阵 , 一般用 a 和 b 这两个平移矢量及 其夹角 γ 来描述单位网格。根据两个单位矢量所构成的平行四边形的形状 ,
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