晶体结构对称性倒空间
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晶体的对称性
对称性与人类思维方式的联系
对称性思维方式是人类认知世界的一 种重要方式。人们习惯于将事物进行 对称性的分类、比较和思考，从而更 好地理解和把握事物的本质和内在规 律。
VS
对称性思维方式在科学研究和工程技 术中也发挥着重要作用。科学家们利 用对称性原理探索自然界的奥秘，解 决各种复杂的科学问题。工程师们则 利用对称性设计各种结构，提高产品 的稳定性和可靠性。
晶体的对称性
• 对称性的基本概念 • 晶体中的对称元素 • 对称性和晶体结构 • 对称性在化学中的运用 • 对称性与生物学的关系 • 对称性的哲学思考
01
对称性的基本概念
Hale Waihona Puke 称性的定义对称性是指一个物体或图形在某种变 换下保持不变的性质。在晶体学中， 对称性是指晶体在空间变换下保持不 变的性质。
对称性可以通过对称操作来描述，对 称操作是指将晶体进行刚性旋转、平 移、反演等变换后仍能恢复原状的操 作。
对称性的分类
晶体可以根据其对称性进行分类，常 见的晶体分类包括立方晶系、四方晶 系、六方晶系等。
VS
不同晶系的晶体具有不同的对称性， 晶体的对称性与其内部原子或分子的 排列方式密切相关。
对称操作的数学表达
对称操作可以用数学矩阵来表示，通过矩阵变换可以描述晶体的对称性。
对称操作的数学表达包括旋转矩阵、平移矩阵、反演矩阵等，这些矩阵可以用来描述晶体在空间中的 变换。
02
晶体中的对称元素
点对称元素
定义
01
点对称元素是晶体中以某一点为中心的对称操作，包括旋转、
反演、反映等。
描述
02
点对称元素在晶体中起着关键作用，它们决定了晶体的空间群
对称性在生物医学中的应用
晶体结构的对称性
滑移面—滑移反映操作：由反应与平移组成的复 合对称操作。根据滑移方向的不同分为3类。第 一类轴线滑移面a(或b,c)：如图虚线所示，对应的 操作为反映后，再沿a(或b,c)轴方向平移a/2（或 b/2,c/2)；第二类对角 5 线滑移面n:如图B所 示。实点和虚点分别 4 a 3 是位于纸面的上方和 下方，且距离相等处。 对应的操作使反映后 a 2 沿a轴方向移动a/2,再 沿b轴方向移动b/2,即 1' 1 b 反映后又平移a/2+b/2
分子对称性与警惕宏观对称性对照表
分子对称性 晶体宏观对称性
对称操作及 其符号 旋转L(a) 反映M 倒反I 对称元素及其 对称操作及其 对称元素及 符号 符号 其符号 旋转 对称轴C 旋转轴n 对称面s
n
反映 反演 旋转反映
反映面或镜 面m 对称中心i 反轴
对称中心i 象转轴Sn
旋转倒反 L(a)I
1.2 晶体结构的对称性
1.2.1 晶体的对称元素和对称操作
晶体结构最基本的特征是具有空间点阵结构。 晶体的点阵结构使晶体的对称性和分子的对称性 有差别。分子结构的对称性是点对称性，只有4种 类型的对称元素和对称操作。 （1）旋转轴—旋转操作； （2）镜面—反映操作； （3）对称中心—反演操作； （4）反轴—旋转反映操作。 晶体的点阵结构，包括平移的对称操作。一方面 使晶体结构的对称性在上述点对称性的基础上还 增加下列3种类型的对称元素和对称操作。
对同一晶体，在划分平行六面体时，由于选择 向量的大小和方向不同，有许多划分方法，也就 能找到多种不同形状的晶胞。这些晶胞基本分为 二类：素晶胞和复晶胞。素晶胞包含的内容实质 上就是结构基元。若不考虑其他因素，任何晶体 均可划分为素晶胞。如图： 晶胞的基本要素：一个是晶胞的大小和形状， 可用晶胞参数（a,b,c,a,b,g）表示；另一个是晶 胞中原子的位置，通常用分数坐标（x,y,z)表示。 晶胞参数的定义与空间点阵的参数完全相同。 根据a,b,c,选择晶体的坐标轴X,Y,Z，使它们分别 和向量a,b,c平行。因此将a,b,c表示的方向也叫 晶轴。
23晶体的对称性和分类
晶体的对称性可以从晶体外形的规则性上反映 出来,如sc、bcc、fcc结构的立方晶体,绕晶胞的任 一基矢轴旋转π/2或π/2的整数倍的操作,都能使晶 体的外形保持不变,这就是晶体的对称性.
操作前后晶体保持自身重合的操作,称为对称 操作.
晶体借以进行对称操作的轴、平面或点.称为对 称元素（简称对称素）.
6)表示纯转动对称操作(或转动轴)；i表示中心反演
（或对称中心）；m表示镜面反映（或对称镜面）。
这种表示方法属于国际符号(International
notation)标记法，是海尔曼(Hermann)和毛衮
(Mauguin)制订的，在晶体结构分析中经常使用。
还有一套标记法，是固体物理中惯用的标记， 是熊夫利(Schoenflies)制订的，因此称为熊夫利 符号(Schoenflies notation). 熊夫利符号中Cn 表 示旋转轴；Sn 表示旋转反演轴；Ci 表示中心反 演；Cs 表示镜面反映。
x x
y
y
cos
z
sin
z
y
sin
z
cos
x 1 0 0 x
y0 cos siny z 0 sin cos z
所以，绕x轴旋转的变换矩阵为：
1 0
0
Ax
0
cos
sin
0 sin cos
同理可得绕y轴和绕z轴的变换矩阵
cos 0 sin
Ay
0
1
0
sin 0 cos
cos sin 0
晶体中允许的转动对称轴只能是1、2、3、4和6次轴， 称为晶体的对称性定律
晶体的对称性定律的证明 B
A
如图,A为格点,B为离A最近的 格点之一,则与 平A 行B 的格点
操作前后晶体保持自身重合的操作,称为对称 操作.
晶体借以进行对称操作的轴、平面或点.称为对 称元素（简称对称素）.
6)表示纯转动对称操作(或转动轴)；i表示中心反演
（或对称中心）；m表示镜面反映（或对称镜面）。
这种表示方法属于国际符号(International
notation)标记法，是海尔曼(Hermann)和毛衮
(Mauguin)制订的，在晶体结构分析中经常使用。
还有一套标记法，是固体物理中惯用的标记， 是熊夫利(Schoenflies)制订的，因此称为熊夫利 符号(Schoenflies notation). 熊夫利符号中Cn 表 示旋转轴；Sn 表示旋转反演轴；Ci 表示中心反 演；Cs 表示镜面反映。
x x
y
y
cos
z
sin
z
y
sin
z
cos
x 1 0 0 x
y0 cos siny z 0 sin cos z
所以，绕x轴旋转的变换矩阵为：
1 0
0
Ax
0
cos
sin
0 sin cos
同理可得绕y轴和绕z轴的变换矩阵
cos 0 sin
Ay
0
1
0
sin 0 cos
cos sin 0
晶体中允许的转动对称轴只能是1、2、3、4和6次轴， 称为晶体的对称性定律
晶体的对称性定律的证明 B
A
如图,A为格点,B为离A最近的 格点之一,则与 平A 行B 的格点
07-2.3晶体的对称性
2.3.2.1 点群
定义：点群是指一个晶体中所有点对称元素的集合。 点对称操作的集合称为点群。
晶体可能存在的对称类型可通过宏观对称元素在一点 上组合运用而得出。
点群在宏观上表现为晶体外形的对称。利用组合定律 可导出晶体外形中只能有32种对称点群。
点群可以用对称元素相结合而导出，在不破坏原有对称的
前提下，结合方式有n/m (表示m⊥n，镜面垂直于n次旋转轴)， nm (表示m∥n，镜面包含n次旋转轴)， n/mm或n/m m(第
晶体绕某一轴回转能复原n次，就称之为n次对称轴。 晶体中实际可能存在的对称轴有五种，并用符号1，
2，3，4，和6来表示。
旋转角 n名称 符号
360 180 120 90 60 度
1
2 3 4 6 次轴
1
2 356
2. 对称面
立方晶系{100} {110}
晶体通过某一平面作 镜像反映而能复原， 则该平面称为对称面 或镜面，用符号m表示。 对称面通常是晶棱或 晶面的垂直平分面或 者为多面角平分面， 且必定通过晶体几何
晶体基本的对称操作有点对称操作和平移对称操作。
在对称操作过程中保持空间至少有一个不动点的操作 称为点对称操作。在一般的对称操作过程中，空间有许多 点在动，但操作前后状态一样。 如旋转，反演，平面反映 均为点对称操作。
用点对称操作ห้องสมุดไป่ตู้组合可以描述有规则几何外形的单晶 体所具有的点对称性，但许多金属单晶体虽然不一定具备 规则的几何外形，但它们相应的点对称性却仍然存在。
180º与P3点重合，再经O点反 演而与P’重合，则称BB‘为2
次旋转—反演轴。
旋转—反演轴有1，2，3，4
和6次五种，分别以国际符号
_ ____
定义：点群是指一个晶体中所有点对称元素的集合。 点对称操作的集合称为点群。
晶体可能存在的对称类型可通过宏观对称元素在一点 上组合运用而得出。
点群在宏观上表现为晶体外形的对称。利用组合定律 可导出晶体外形中只能有32种对称点群。
点群可以用对称元素相结合而导出，在不破坏原有对称的
前提下，结合方式有n/m (表示m⊥n，镜面垂直于n次旋转轴)， nm (表示m∥n，镜面包含n次旋转轴)， n/mm或n/m m(第
晶体绕某一轴回转能复原n次，就称之为n次对称轴。 晶体中实际可能存在的对称轴有五种，并用符号1，
2，3，4，和6来表示。
旋转角 n名称 符号
360 180 120 90 60 度
1
2 3 4 6 次轴
1
2 356
2. 对称面
立方晶系{100} {110}
晶体通过某一平面作 镜像反映而能复原， 则该平面称为对称面 或镜面，用符号m表示。 对称面通常是晶棱或 晶面的垂直平分面或 者为多面角平分面， 且必定通过晶体几何
晶体基本的对称操作有点对称操作和平移对称操作。
在对称操作过程中保持空间至少有一个不动点的操作 称为点对称操作。在一般的对称操作过程中，空间有许多 点在动，但操作前后状态一样。 如旋转，反演，平面反映 均为点对称操作。
用点对称操作ห้องสมุดไป่ตู้组合可以描述有规则几何外形的单晶 体所具有的点对称性，但许多金属单晶体虽然不一定具备 规则的几何外形，但它们相应的点对称性却仍然存在。
180º与P3点重合，再经O点反 演而与P’重合，则称BB‘为2
次旋转—反演轴。
旋转—反演轴有1，2，3，4
和6次五种，分别以国际符号
_ ____
固体物理总结
4.当电子(或光子)与晶格振动相互作用时，交换能量以
为单位。
晶体热容
1.固体比热的实验规律 (1)在高温时，晶体的比热为3NkB； (2)在低温时，绝缘体的比热按T3趋于零。
2.模式密度
定义：
D(
)
lim
0
n
m D()d3N 0
计算：D3 n12 V π c3
ds
s qq
3.晶体比热的爱因斯坦模型和德拜模型
2.线缺陷
当晶格周期性的破坏是发生在晶体内部一条线的周围近邻，
这种缺陷称为线缺陷。位错就是线缺陷。
位错
刃型位错：刃型位错的位错线与滑移方向垂直。 螺旋位错：螺旋位错的位错线与滑移方向平行。
位错缺陷的滑移
刃位错：刃位错的滑移方向与晶体受力方向平行。
螺位错：螺位错的滑移方向与晶体受力方向垂直。
第 五 章 能带理论 总结
Kn
(k
Kn 2
)
0
紧束缚近似
1.模型
晶体中的电子在某个原子附近时主要受该原子势场V(rR n)
的作用，其他原子的作用视为微扰来处理，以孤立原子的电子
态作为零级近似。
2.势场
1.晶体的结合能 晶体的结合能就是自由的粒子结合成晶体时所释放的能量， 或者把晶体拆散成一个个自由粒子所需要的能量。
EbU(r0)U(r0)
2.原子间相互作用势能
u(r)rAm rBn A、B、m、n>0
其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。
3.原子晶体、金属晶体和氢键晶体
(1)原子晶体
结构：第Ⅳ族、第Ⅴ族、第Ⅵ族、第Ⅶ族元素都可以形成
k
r
e ik r
uk
r
晶体的对称性理论
1、旋转轴-旋转 对称要素：旋转轴，符号 n 对称动作：旋转 符号：L(α),α为基转角， n为旋转轴的轴次，即阶次，二者的关系 n=360°/α 特点：一条线不动，旋转能使相等图形重合，不能 使左右手重合。
7
2、反映面——反映 对称要素：反映面，符号：m 对称动作：反映， 符号：M 阶次：2 一个面不动，反映能使左右手重合，一次反映不 能使相等的图形重合 特点：两个等同图形中相应点连线⊥反映面
30
问题：八种宏观对称要素之间究竟存在着多少种组 合方式？即晶体的宏观对称类型有多少种呢？ 组合要符合如下条件： (1)对称要素间是相互作用的，两个对称要素相组 合，必然产生新的对称要素来； (2)对称要素间的组合不是任意的，需要满足： A- 参加组合的对称要素必须至少相交于一点。 这是因为晶体的外形是有限的、封闭的多 面体。 B- 晶体是一种点阵结构，对称要素的组合结果 不容许产生与点阵结构不相容的对称要素 来。(5、7····等)
5、反轴 == 旋转+倒反(点在线上)
对称要素：反轴， 符 号：n 复合对称动作：旋转+倒反 (点在线上)又称旋转倒反 阶 次： 如果旋转轴的轴次n是偶数，那么反轴的阶次=n 如果旋转轴的轴次n是奇数，那么反轴的阶次=2n 旋转倒反动作只能使左右手重合，不能使相等图 形重合。
11
12
6、螺旋轴-旋转+平移
21
(3)对称轴、反映面、对称中心、反轴，对应的对 称动作是点动作，在动作中至少有一点不动， 既存在于无限结构中，又存在于有限晶体外形 的结构中； 点阵、螺旋轴、滑移面，对应的对称动作 是空间动作，每一点都移动了只能存在于无限 结构中，而不能存在于有限晶体外形的结构 中。 旋转轴、螺旋轴→统称对称轴； 反映面、滑移面→统称对称面。
7
2、反映面——反映 对称要素：反映面，符号：m 对称动作：反映， 符号：M 阶次：2 一个面不动，反映能使左右手重合，一次反映不 能使相等的图形重合 特点：两个等同图形中相应点连线⊥反映面
30
问题：八种宏观对称要素之间究竟存在着多少种组 合方式？即晶体的宏观对称类型有多少种呢？ 组合要符合如下条件： (1)对称要素间是相互作用的，两个对称要素相组 合，必然产生新的对称要素来； (2)对称要素间的组合不是任意的，需要满足： A- 参加组合的对称要素必须至少相交于一点。 这是因为晶体的外形是有限的、封闭的多 面体。 B- 晶体是一种点阵结构，对称要素的组合结果 不容许产生与点阵结构不相容的对称要素 来。(5、7····等)
5、反轴 == 旋转+倒反(点在线上)
对称要素：反轴， 符 号：n 复合对称动作：旋转+倒反 (点在线上)又称旋转倒反 阶 次： 如果旋转轴的轴次n是偶数，那么反轴的阶次=n 如果旋转轴的轴次n是奇数，那么反轴的阶次=2n 旋转倒反动作只能使左右手重合，不能使相等图 形重合。
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6、螺旋轴-旋转+平移
21
(3)对称轴、反映面、对称中心、反轴，对应的对 称动作是点动作，在动作中至少有一点不动， 既存在于无限结构中，又存在于有限晶体外形 的结构中； 点阵、螺旋轴、滑移面，对应的对称动作 是空间动作，每一点都移动了只能存在于无限 结构中，而不能存在于有限晶体外形的结构 中。 旋转轴、螺旋轴→统称对称轴； 反映面、滑移面→统称对称面。
1-2倒格子空间
1
4.正格子和倒格子互为正倒格子
证明FCC和ＢＣＣ互为倒易点阵
• 证明过程： • BCC点阵为：
a a ( i j k ) 2 a b (i j k ) 2 a c (i j k ) 2
• 其倒易点阵为
a2 2 2b c 4 (i j k ) (i j k ) 2 ( j k ) a* V a a3 2 a2 2 2c a 2 4 b* (i j k ) (i j k ) (i k ) 3 V a a 2 a2 2 2a b 4 (i j k ) (i j k ) 2 (i j ) c* V a a3 2
a
C
3
a3
h3
Kh
a2 h2 a1 h1
B
a2
A
a1
正格子基矢：a1、a2、a3；原胞体积： 倒格子基矢：b1、b2、b3 ; 原胞体积： 倒格子的倒格子的基矢：b1 、b2 、b3 ;
2 2 2 2 b ＝ b2 b3 a3 a1 a1 a2 3 8 1 a3 a1 a1 a2 a3 a1 a1 a2 a3 a1 a2 a1 a3 a1 a1 a2 a1 1 b1＝ a1 a1
注意：1200 必满足2400 ； 900必满足2700。 但是， 2400不满足1200 ； 2700不满足900
3.n度旋转对称轴(rotation about an axis)
(1) 定义 —— 晶体绕某一固定轴 u 旋转角度 2π/n 以 n只能取1，2，3，4，6。
4.正格子和倒格子互为正倒格子
证明FCC和ＢＣＣ互为倒易点阵
• 证明过程： • BCC点阵为：
a a ( i j k ) 2 a b (i j k ) 2 a c (i j k ) 2
• 其倒易点阵为
a2 2 2b c 4 (i j k ) (i j k ) 2 ( j k ) a* V a a3 2 a2 2 2c a 2 4 b* (i j k ) (i j k ) (i k ) 3 V a a 2 a2 2 2a b 4 (i j k ) (i j k ) 2 (i j ) c* V a a3 2
a
C
3
a3
h3
Kh
a2 h2 a1 h1
B
a2
A
a1
正格子基矢：a1、a2、a3；原胞体积： 倒格子基矢：b1、b2、b3 ; 原胞体积： 倒格子的倒格子的基矢：b1 、b2 、b3 ;
2 2 2 2 b ＝ b2 b3 a3 a1 a1 a2 3 8 1 a3 a1 a1 a2 a3 a1 a1 a2 a3 a1 a2 a1 a3 a1 a1 a2 a1 1 b1＝ a1 a1
注意：1200 必满足2400 ； 900必满足2700。 但是， 2400不满足1200 ； 2700不满足900
3.n度旋转对称轴(rotation about an axis)
(1) 定义 —— 晶体绕某一固定轴 u 旋转角度 2π/n 以 n只能取1，2，3，4，6。
晶体结构对称性倒空间
a b c,
所属点群(P) 1, 1
School of Physics and Information Technology, SNNU
单斜（Monoclinic）
2) 简单单斜（P） 3) 底心单斜（C）
a b c, 90
2, m, 2 / m
对称轴图示
8二次轴 单斜
9三次轴 10四次轴 11六次轴
对称轴所构成的对称配置投影符号：
C1 (1)
C2 (2)
C3 (3)
C4 (4)
C6 (6)
School of Physics and Information Technology, SNNU
对称面(II类 )
反映（symmetry plane）：一假想的平面，称为反映面或镜面。 反映操作是从空间某一点向反映面引垂线，并延长该垂线到反映 面的另一侧，在延长线上取一点，使得到反映面等距 国际符号：m
正四面体的对称操作
2) 绕4个立方体对角线轴转动
—— 8个对称操作 3) 恒等变换 —— 1个对称操作
4) 绕三个立方轴转动 /2，3/2 加中心反演 —— 6个对称操作
School of Physics and Information Technology, SNNU
230 种空间群 space groups
空间群：由点群对称操作和平移对称操作组合而成；由 32 晶体 学点群与 14个Bravais 点阵组合而成； 空间群是一个单胞（包含单胞带心）的平移对称操作；反射、旋 转和旋转反演等点群对称性操作、以及螺旋轴和滑移面对称性操作 的组合。 晶体学中的空间群是三维周期性物体(晶体)变换成它自身的对称 操作(平移，点操作以及这两者的组合)的集合。一共有230种空间 群。 每种空间群唯一的对应一种晶体结构。自然界的晶体结构只能有 230种。 230 空间群符号 = Bravais点阵类型符号 + 点群对称元素
晶体的周期性结构(2)(倒格矢)
波恩-卡曼边界条件
• 电荷密度、势能等物理量满足迭加原理，如
V (r )
V
l
原子
r R l
• 理想的无限大晶体具有平移周期性，这样的物 理量满足
F (r R l ) F (r )
• 实际的晶体都是有限大小的， 并不满足严格的 平移对称性
F (r R l ) F (r )
2
N 3是 原 胞 的 总 数 ，
k 是 满 足 波 恩 -卡 曼 周 期 性 边 界 条 件 的 波 矢 量
k
l1 N1
b1
+
l2 N
2
b2+
l3 N
3
b3
• 对于布里渊区中许可波矢 k 的求和可化为对
k 的连续积分
kBZ
(.....)
V ( 2 )
3
( . . . . )d
3
k
正、倒对应关系
• 互为正格子、倒格子
b 1 2 b 2 2 b 3 2 a2 a3 a 1 (a 2 a 3 ) a 3 a1 a 1 (a 2 a 3 ) a1 a 2 a 1 (a 2 a 3 )
a 1 2 a 2 2 a 3 2 b2 b3 b 1 (b 2 b 3 ) b 3 b1 b 1 (b 2 b 3 ) b1 b 2 b 1 (b 2 b 3 )
j
bi a
2
ij
• 那确实可以满足上述关系，确实可以满足Kh所 有的段点为格点（即有可用基矢和整数表示的 平移周期性）
• bi就是倒格子基矢
• 如果确定了正格子基矢，倒格子基矢就不是任 意的。利用矢量关系
12 晶体的对称性一 对称性的概念二 晶体中允许的对称操作三 晶体
1.2 晶体的对称性一. 对称性的概念二. 晶体中允许的对称操作三. 晶体宏观对称性的表述：点群四. 七个晶系和14种晶体点阵五. 晶体的微观对称性：空间群六. 二维情形七. 点群对称性和晶体的物理性质参考：黄昆书1.5－1.7 节阎守胜书 2.2 节一.对称性的概念：一个物体（或图形）具有对称性，是指该物体（或图形）是由两个或两个以上的部分组成，经过一定的空间操作（线性变换），各部分调换位置之后整个物体（或图形）保持不变的性质。
对称操作：维持整个物体不变而进行的操作称作对称操作。
即：操作前后物体任意两点间的距离保持不变的操作。
点对称操作：在对称操作过程中至少有一点保持不动的操作。
有限大小的物体，只能有点对称操作。
对称元素：对称操作过程中保持不变的几何要素：点，反演中心；线，旋转轴；面，反映面等。
●●如何科学地概括和区别四种图形的对称性？从旋转来看，圆形对绕中心的任何旋转都是不变的；正方形只能旋转才保持不变；后2个图形只有3,,πππ2π以上，考察在一定几何变换之下物体的不变性，使用的几何变换（旋转和反射）都是正交变换——保持两点距离不变的变换：111213212223313233'''x a a a x y a a a y z a a a z ⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪=∙ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭111213212223313233i j a a a A a a a a a a ⎛⎫ ⎪= ⎪⎪⎝⎭ 其中A ij 为正交矩阵从解析几何知道，符合正交变换的是：绕固定轴的转动(Rotation about an axis) 绕z 轴旋转θ角cos sin 0sin cos 0001i j A θθθθ-⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭数学上可以写作：如果，一个物体在某一正交变换下保持不变，我们就称这个变换为物体的一个对称操作。
一个物体可能的对称操作越多，它的对称性就越高。
立方体具有较高的对称性，它有48个对称操作：绕4 条体对角线可以旋转共8个对称操作；绕3 个立方边可以旋转共9个对称操作；绕6 条棱对角线可以转动π，共 6 个对称操作；加上恒等操作共24个。
晶体的微观对称性
对称元素必须交于一点
对称动作只有点动作
无限的晶体结构中的对称性
实际存在的、本质的
不仅考虑方向，还考虑对称元 素的相互位置关系 对称元素不须交于一点，在三 维空间无限分布 包括点动作与空间动作
点阵（平移轴）：对应的对称操作为平移。
点阵反映了晶体结构的周期性，这种周期性也就是点阵的平 移复原的特性。对于点阵，连接任意两个阵点的位置矢量： R = ma + nb + pc，进行平移可以使点阵复原，表现在晶体 结构上就是使在三维空间无限伸展的相同部分得以重复。R 可以定义为晶体微观结构平移的方向矢量。
推论：两个平行滑移面的连续操作相当于一个平移对称操作，并 且该平移对称操作垂直于滑移面的分量也是一个平移对称操作。
NaCl结构沿c方向的投影
定理二：平移T及垂直于平移的反映面的连续操作相 当于与该反映面相距T /2处的一个反映面的反映操作。
推论：平移T及垂直于平移的滑移面的连续操作相当于与该 反映面相距T /2处的一个滑移面的反映平移复合操作。
• 布拉威法则： 1、划分出来的平行六面体单位必须充分地反映晶体的固
有对称性。
2、在不违背晶体固有对称性的条件下，平行六面体单位 的棱间直角数尽量多。
3、在满足条件1和2的前提下，平行六面体单位的体积 应为最小。
• 十四种空间格子 1）三斜格子：P 点阵点群：Ci 晶格参数：abc, 90o
• 点阵格子的对称性（点阵点群）
三斜格子：Ci / C 单斜格子：C2h / L2 PC 正交格子：D2h / 3L2 3PC 四方格子：D4h / L4 4L2 5PC 三方格子：D3d / L3 3L2 3PC 六方格子：D6h / L6 6L2 7PC 立方格子：Oh / 3L4 4L3 6L2 9PC 属于某一晶系的晶体，其点阵格子具有该晶系全对称 类型的对称性。
对称动作只有点动作
无限的晶体结构中的对称性
实际存在的、本质的
不仅考虑方向，还考虑对称元 素的相互位置关系 对称元素不须交于一点，在三 维空间无限分布 包括点动作与空间动作
点阵（平移轴）：对应的对称操作为平移。
点阵反映了晶体结构的周期性，这种周期性也就是点阵的平 移复原的特性。对于点阵，连接任意两个阵点的位置矢量： R = ma + nb + pc，进行平移可以使点阵复原，表现在晶体 结构上就是使在三维空间无限伸展的相同部分得以重复。R 可以定义为晶体微观结构平移的方向矢量。
推论：两个平行滑移面的连续操作相当于一个平移对称操作，并 且该平移对称操作垂直于滑移面的分量也是一个平移对称操作。
NaCl结构沿c方向的投影
定理二：平移T及垂直于平移的反映面的连续操作相 当于与该反映面相距T /2处的一个反映面的反映操作。
推论：平移T及垂直于平移的滑移面的连续操作相当于与该 反映面相距T /2处的一个滑移面的反映平移复合操作。
• 布拉威法则： 1、划分出来的平行六面体单位必须充分地反映晶体的固
有对称性。
2、在不违背晶体固有对称性的条件下，平行六面体单位 的棱间直角数尽量多。
3、在满足条件1和2的前提下，平行六面体单位的体积 应为最小。
• 十四种空间格子 1）三斜格子：P 点阵点群：Ci 晶格参数：abc, 90o
• 点阵格子的对称性（点阵点群）
三斜格子：Ci / C 单斜格子：C2h / L2 PC 正交格子：D2h / 3L2 3PC 四方格子：D4h / L4 4L2 5PC 三方格子：D3d / L3 3L2 3PC 六方格子：D6h / L6 6L2 7PC 立方格子：Oh / 3L4 4L3 6L2 9PC 属于某一晶系的晶体，其点阵格子具有该晶系全对称 类型的对称性。
晶体的宏观对称
最后，请同学们找出几个模型上所有对称要素。
(模型示范)
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；
◆ 当对称要素共存时，也可导出新的对称 要素。
定一理半1：) LnL2LnnL2 (L2与L2的夹角是Ln基转角的 例如: L4L2L44L2 , L3L2L33L2
状的分布特点决定了晶体的对称轴只有n = 1，2，3， 4，6这五种，不可能出现n = 5， n 〉6的情况。
为什么呢？ 直观形象的理解： 垂直五次及高于六次的 对称轴的平面结构不能 构成面网，且不能毫无 间隙地铺满整个空间, 即不能成为晶体结构。
在晶体上，对称轴可能存在的位置：
（1）通过晶棱的中点； （2）通过晶面的中心； （3）通过角顶。
二、晶体对称的特点
1. 由于晶体都具有格子状构造，而格子状构造就 是质点在三维空间周期重复的体现，因此，所 有的晶体都是对称的。
2. 晶体的对称受格子构造规律的限制。即只有符 合格子构造规律的对称才能在晶体上出现，因 此，晶体对称又是有限的。
3. 晶体的对称既然取决于格子构造，因此晶体的 对称不仅体现在外形上，也体现在物理性质上 （光学、力学、热学、电学性质）。
替。这是因为Li4 不能被代替， Li6在晶体对称 分类中有特殊意义。
但易是误，认在为晶L体2。模型上找Li4往往是比较困难的，因为容
我们不能用L2代替Li4 ，就像我们不能用L2代替L4一样。 因为L4高于L2 ， Li4也高于L2 。在晶体模型上找对 称要素，一定要找出最高的。
**********
对称中心（C）
对点的反伸： 通过点直线，点的两侧等距离的两点，可见性
质相同对应点。
对称中心—C
(模型示范)
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；
◆ 当对称要素共存时，也可导出新的对称 要素。
定一理半1：) LnL2LnnL2 (L2与L2的夹角是Ln基转角的 例如: L4L2L44L2 , L3L2L33L2
状的分布特点决定了晶体的对称轴只有n = 1，2，3， 4，6这五种，不可能出现n = 5， n 〉6的情况。
为什么呢？ 直观形象的理解： 垂直五次及高于六次的 对称轴的平面结构不能 构成面网，且不能毫无 间隙地铺满整个空间, 即不能成为晶体结构。
在晶体上，对称轴可能存在的位置：
（1）通过晶棱的中点； （2）通过晶面的中心； （3）通过角顶。
二、晶体对称的特点
1. 由于晶体都具有格子状构造，而格子状构造就 是质点在三维空间周期重复的体现，因此，所 有的晶体都是对称的。
2. 晶体的对称受格子构造规律的限制。即只有符 合格子构造规律的对称才能在晶体上出现，因 此，晶体对称又是有限的。
3. 晶体的对称既然取决于格子构造，因此晶体的 对称不仅体现在外形上，也体现在物理性质上 （光学、力学、热学、电学性质）。
替。这是因为Li4 不能被代替， Li6在晶体对称 分类中有特殊意义。
但易是误，认在为晶L体2。模型上找Li4往往是比较困难的，因为容
我们不能用L2代替Li4 ，就像我们不能用L2代替L4一样。 因为L4高于L2 ， Li4也高于L2 。在晶体模型上找对 称要素，一定要找出最高的。
**********
对称中心（C）
对点的反伸： 通过点直线，点的两侧等距离的两点，可见性
质相同对应点。
对称中心—C
结构化学晶体结构的对称性和基本定理
点击按钮观察动画.注意：反映滑移操作中
的“反映”是虚操作，可想象而难以实际表现, 故动画 中用幻影逗号的移动来模拟反映，请勿误解！
8.2.2 晶胞
设想把点阵放回晶体中去， 将把晶体切分成并置的平行六面 体小晶块，每个空间格子对应一 个小晶块. 这种小晶块就是晶胞, 是代表晶体结构的最小单元.
晶胞参数
NaCl型晶体
原子的分数坐标： A: 0 0 0
0 1/2 1/2 1/2 0 1/2 1/2 1/2 0 B: 1/2 0 0
0 1/2 0 0 0 1/2 1/2 1/2 1/2 结构基元: A-B （每个晶胞中有4个结构基元）
CsCl型晶体
原子的分数坐标： A: 0 0 0 B: 1/2 1/2 1/2
为什么要考虑带心格子?
立方面心格子，若按左图取素格子只能表现三方对称性；若取右图 所示的复格子就表现出立方对称性(格子选取方式不能改变点阵结构的对 称性,但点阵固有的较高对称性在素格子上可能被掩盖)：
14种布拉维格子之一：立方简单（cP）
14种布拉维格子二：立方体心（cI）
14种布拉维格子三：立方面心（cF）
晶胞参数:
a、b、c α、β、γ
晶
胞
两
要
（1）晶胞的大小、型式
素
晶胞的大小可由晶胞参数确定，晶胞的型式是
指素晶胞或复晶胞.
（2）晶胞的内容
晶胞中原子的种类和位置. 表示原子位置要用 分数坐标.
分数坐标
晶胞中原子P 的位置用向量OP=xa+yb+zc代表. x、y、z
就是分数坐标，它们永远不会大于1.
14种布拉维格子之八：正交简单（oP)
14种布拉维格子之九：正交体心（oI)
晶体结构与晶体化学-晶体几何学理论基础3
1.5.1 螺旋旋转
螺旋旋转由两个基本操作——旋转和平移构成。该旋转轴称为螺旋轴。在 点阵中，螺旋轴被限制在旋转轴允许的位置上。为了与点阵相容，平移分 量的量值必须是平行于轴的单位平移的约数。
1.5.2 滑移反映
包含有平移及反映的复合对称操作称为滑移反映。反映面称滑移面，限制 在与镜面相同的位置上。滑移的平移分量必须与在平面中的单位平移t平 行，且其量值为t/2。如果平行于晶胞的棱，称之为轴滑移。如果指向 晶胞的中心或晶胞的任一面的中心，称之为对角线滑移。金刚石型滑移的 值是对角线滑移量的一半，且只限于有心的晶胞。
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，任何图案的平移对称都可从图形的一点开始描述。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，称作空间格子或空间点阵，点阵中的每个 点称为结点或点阵点。
3、空间格子（点阵）
晶体结构的基本特征是其中的质点在三维空间作有规律的重复排列；表示这种 晶体结构基本规律性的集合图形，就是空间格子。
二维空间中平移等效点的集合产生了一个“网格”，而在三维空间中其基本平 移矢量终点的集合组成一个空间格子，常称为“晶格”或“点阵”
C：面心 三维情况的晶胞： P：无心（原始的或素的） I：体心 F：面心 A、B、C：底心。即（b,c）、（c,a）及（a,b）上带心或称A面心、B面心、C面心。 R：菱面体按六方定向时的带心情况 三斜晶系中不存在带心点阵。 单斜晶系中，A面心和C面心是相同的（a轴和c轴可以互换）。B面心可以选为P。I、 F点阵也可以选成A及C。因此，在标准定向中，单斜晶系只有P、C两种。 正交晶系中，原始的P、C面心（A及B面心可用换轴的方法选为C），体心I及面心F 都有。 四方晶系，点阵类型只有P及I两种（C可选成P，F可改选成I）。 三方、六方晶系有P及R两种点阵。 立方晶系有P、I、F点阵。
螺旋旋转由两个基本操作——旋转和平移构成。该旋转轴称为螺旋轴。在 点阵中，螺旋轴被限制在旋转轴允许的位置上。为了与点阵相容，平移分 量的量值必须是平行于轴的单位平移的约数。
1.5.2 滑移反映
包含有平移及反映的复合对称操作称为滑移反映。反映面称滑移面，限制 在与镜面相同的位置上。滑移的平移分量必须与在平面中的单位平移t平 行，且其量值为t/2。如果平行于晶胞的棱，称之为轴滑移。如果指向 晶胞的中心或晶胞的任一面的中心，称之为对角线滑移。金刚石型滑移的 值是对角线滑移量的一半，且只限于有心的晶胞。
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，任何图案的平移对称都可从图形的一点开始描述。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，称作空间格子或空间点阵，点阵中的每个 点称为结点或点阵点。
3、空间格子（点阵）
晶体结构的基本特征是其中的质点在三维空间作有规律的重复排列；表示这种 晶体结构基本规律性的集合图形，就是空间格子。
二维空间中平移等效点的集合产生了一个“网格”，而在三维空间中其基本平 移矢量终点的集合组成一个空间格子，常称为“晶格”或“点阵”
C：面心 三维情况的晶胞： P：无心（原始的或素的） I：体心 F：面心 A、B、C：底心。即（b,c）、（c,a）及（a,b）上带心或称A面心、B面心、C面心。 R：菱面体按六方定向时的带心情况 三斜晶系中不存在带心点阵。 单斜晶系中，A面心和C面心是相同的（a轴和c轴可以互换）。B面心可以选为P。I、 F点阵也可以选成A及C。因此，在标准定向中，单斜晶系只有P、C两种。 正交晶系中，原始的P、C面心（A及B面心可用换轴的方法选为C），体心I及面心F 都有。 四方晶系，点阵类型只有P及I两种（C可选成P，F可改选成I）。 三方、六方晶系有P及R两种点阵。 立方晶系有P、I、F点阵。
晶体化学(晶体对称性)
划分正当晶胞或单位的原则中，主要做了两方
面的规定：
划分了七个晶系
一、应当尽量选取较规则的形状；
二、应当尽量选取含点阵点少的.
划分出十四种空间 点阵型式
立方 P, I, F
六方 H
晶 三方 R 系 四方 P，I
简单P 型 底心C 式 体心I
正交 P，C（或侧心），I，F
面心F
单斜 P，C
侧心A或B
三斜 P
∴3垂直一平面点阵
3
b3 T3
T1
a1b1
b2 a2
T2
a3
3. 晶体中对称轴的轴次 A
设晶体中有一轴次为 n 的旋转轴，通
过点阵点O垂直纸面
B
则在晶体的空间点阵中，必有一平 面点阵与 n 垂直.
取直线点阵Tm=ma，并设素向量为 a
根据点阵与平移群的关系:
点阵点
平移群
a作用于O必得A点(为点阵点)，-a作用于O 得 A'
4
对称操作
倒反
I
反映
M
旋转 旋转 旋转 旋转 旋转 旋转倒反
L(0 ) L(180 ) L(120 ) L(90 ) L(60 ) L(90 )I
二、宏观对称元素的组合和32个点群
晶体宏观对称元素的组合 晶体的独立的宏观对称元素只有八种，但在某一晶体中可以只存在 一个独立的宏观对称元素，也可能有由一种或几种对称元素按照 组合程序及其规律进行合理组合的形式存在。 晶体中，宏观对称元素组合时，必受以下两条的限制：
为什么要考虑带心格子?
立方面心格子，若按左图取素格子只能表现三方对称性；若取右图 所示的复格子就表现出立方对称性(格子选取方式不能改变点阵结构的对 称性,但点阵固有的较高对称性在素格子上可能被掩盖)：
固体物理课件第二章_晶体的结构
Na+构成面心立方格子 Cl－也构成面心立方格子
(6) CsCl: 由两个简单立方子晶格彼此沿 立方体空间对角线位移1／2 的长度套构而成
(7) 闪锌矿结构
化合物半导体 —— 锑化铟、砷化镓、磷化铟 面心立方的嵌套
（8） 钙钛矿结构
钛酸钙（CaTiO3） 钛酸钡（BaTiO3） 锆酸铅（PbZrO3） 铌酸锂（LiNbO3） 钽酸锂（LiTaO3）等
面心立方格子:原点和12个近邻格点连线的垂 直平分面围成的正十二面体
体心立方格子:原点和8个近邻格点连线的垂直 平分面围成的正八面体，沿立方轴的6个次近 邻格点连线的垂直平分面割去八面体的六个角， 形成的14面体 —— 八个面是正六边形，六个面是正四边形
§1.2 晶列和晶面
思考： 金刚石为什么有固定的面？ 这些面和晶格结构有什么关系？
根据周期性：
f e
k k
ikx
fk e
k
ik ( x na )
f k eikx f k eik( x na)
k k
e
ik na
1
m 0,1,2,
k na k Rn 2m
2 k h Gh a
k=b的波传过一个晶格长度，相位改变2π
晶面：所有结点可以看成分布在一系列相互平 行等距的平面族上，每个平面族称为一个晶面 晶面用法向或晶面指数标志
例：同一个格子，两组不同的晶面族
晶面的性质： –晶格中一族的晶面不仅平行，并且等距 –一族晶面必包含了所有格点 –三个基矢末端的格点必分别落在该族的不 同晶面上（有理指数定理）
晶面（米勒）指数：晶面把基矢 a1 , a2 , a3 分别
1 晶体结构及其对称性(研)
第一章 晶体结构及其对称性
§1.1 晶格及其平移对称性 §1.2 晶列与晶面 §1.3 倒点阵 §1.4 晶体的宏观对称性 §1.6 晶体X射线衍射
固体分类
晶体定义：原子、分子、离子、原子团有规则 地在三维空间的周期性重复排列形成的固体， 具有长程序。
晶体分单晶体和多晶体。
非晶体：内部粒子在三维空间不是周期性的有规 则的排列。长程无序，但在一个原子附近的若干 原子的排列是有一定规则的排列——短程有序。
布喇菲(A. Bravais)，法国学者，1850年提出。
定义:
各晶体是由一些基元（或格点）按一定规则, 周期重
复排列而成。任一格点的位矢均可以写成形式
Ra为n3 基 n矢1a1， n。2为Ra其2n 布中n拉3a，3菲、格子、的取n格1整矢n数2。，n3 、 、
a1 a2
格点 与（n1, n2, n3）一一对应。
11 1
故采用截距的倒数 u、 、v ，w并约化为三个互质的整数
h、k、l
1 来标志晶面，即：u
:
1 v
:
1 w
h。:
k
:
l
将（hkl）放在圆括号中，就称为该晶面的密勒指数（hkl）． 如果有负数，负号标在该数的上面，与晶向指数中的表示相同。
一个晶面簇中的各个晶面，其晶面指数相同．
例如，简立方晶格的几个晶面表示。
晶面指数
与该晶面在三个坐标轴上的截距的倒数相对应的三个互 质整数，就称为该晶面的晶面指数，亦称密勒指数。
若方一法个：晶以面单在胞其基三矢个坐基标矢系方为向例上说的明截晶距面分的别密为勒ua、指数v、（b hk，lw）c．
用u、v 、w 三个数字就可以标志晶面的空间方位。
§1.1 晶格及其平移对称性 §1.2 晶列与晶面 §1.3 倒点阵 §1.4 晶体的宏观对称性 §1.6 晶体X射线衍射
固体分类
晶体定义：原子、分子、离子、原子团有规则 地在三维空间的周期性重复排列形成的固体， 具有长程序。
晶体分单晶体和多晶体。
非晶体：内部粒子在三维空间不是周期性的有规 则的排列。长程无序，但在一个原子附近的若干 原子的排列是有一定规则的排列——短程有序。
布喇菲(A. Bravais)，法国学者，1850年提出。
定义:
各晶体是由一些基元（或格点）按一定规则, 周期重
复排列而成。任一格点的位矢均可以写成形式
Ra为n3 基 n矢1a1， n。2为Ra其2n 布中n拉3a，3菲、格子、的取n格1整矢n数2。，n3 、 、
a1 a2
格点 与（n1, n2, n3）一一对应。
11 1
故采用截距的倒数 u、 、v ，w并约化为三个互质的整数
h、k、l
1 来标志晶面，即：u
:
1 v
:
1 w
h。:
k
:
l
将（hkl）放在圆括号中，就称为该晶面的密勒指数（hkl）． 如果有负数，负号标在该数的上面，与晶向指数中的表示相同。
一个晶面簇中的各个晶面，其晶面指数相同．
例如，简立方晶格的几个晶面表示。
晶面指数
与该晶面在三个坐标轴上的截距的倒数相对应的三个互 质整数，就称为该晶面的晶面指数，亦称密勒指数。
若方一法个：晶以面单在胞其基三矢个坐基标矢系方为向例上说的明截晶距面分的别密为勒ua、指数v、（b hk，lw）c．
用u、v 、w 三个数字就可以标志晶面的空间方位。
晶体结构和对称性
晶态结构示意图
非晶态结构示意图
2 晶体的共性
(1) 晶体的均匀性与各向异性
均匀性：晶体的一些与方向无关的量（如密度、化学 组成等）在各个方向上是相同的；
各向异性：晶体的一些与方向有关的量（如电导、热 导等）在各个方向上并不相同.例如, 云母的传热速率, 石 墨的导电性能等
非晶体的各种性质均具有均匀性, 但与晶体的均匀性的 起源并不相同, 前者是等同晶胞在空间按同一方式重复排列 的结果, 而后者则是质点的杂乱无章排列所致.
平移：所有点阵点在同一方向移动同一距离且使图形复原 的操作。
(3) 常见点阵形式
A 直线点阵 以直线连接各个阵点形成的点阵。
一维周期排列的结构及其点阵
直线点阵中连接任意两相邻阵点的向量称素向量（基本向量）。 相邻两阵点的矢量a, a是这直线点阵的单位矢量, 长度称 为点阵参数, 因是平移时阵点复原的最小距离, 故a 为平移 素向量.
晶体结构和对称性
第三章：晶体结构和对称性
基本要求：
1、理解晶体结构的周期性和点阵; 2、掌握晶体结构的宏观对称性和微观对称 性，理解它们的区别和联系; 3、了解空间群的推导及表达。
§2.1 晶体结构的周期性和点阵
岩石(CaCO3)
水晶（SiO2）
黄铁矿 (FeS2)
钻石（C）
绿宝石 (Be3Al2(SiO3)6)
按照以上程序及限制进行组合，我们可以得到的对称元 素系共32种，即32个晶体学点群（晶体的对称性只有32种， 尽管自然界中晶体的外形多样）。
点群的Schönflies符号
Cn: 具有一个n次旋转轴的点群。 Cnh: 具有一个n次旋转轴和一个垂直于该轴的镜面的点群。 Cnv: 具有一个n次旋转轴和n个通过该轴的镜面的点群。 Dn: 具有一个n次旋转主轴和n个垂直该轴的二次轴的点群。 Sn:具有一个n次反轴的点群。 T:具有4个3次轴和3个2次轴的正四面体点群。 O:具有3个4次轴,4个3次轴和6个2次轴的八面体点群。
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其中系数 A(g)1 F(r)grdr ΩΩ
其中Ω为原胞体积
A(g)Ω 1 ΩF(rRl)eigrdr
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倒格子
做代换r'=r+Rl
A(g)eigRnA(g)
A(g)eigRl 1 F(r')eigr'dr'
旋转-反映
➢旋转反映 n/m，包括绕对称轴的逆 时针旋转360°/n，接着作垂直反射。 旋转-反映等效于旋转-反演，不能提 供新的操作 所以新的晶体学国际表中只用旋转反演
1 /m m ,2 /m 1 ,3 /m 6 ,4 /m 4 ,6 /m 3
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对称轴图示
对称轴所构成的对称配置投影符号：
8二次轴 单斜 9三次轴 10四次轴 11六次轴
C1 (1)
C2 (2)
C3 (3)
C4 (4)
C6 (6)
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对称面(II类 )
反映（symmetry plane）：一假想的平面，称为反映面或镜面。 反映操作是从空间某一点向反映面引垂线，并延长该垂线到反映 面的另一侧，在延长线上取一点，使得到反映面等距 国际符号：m
群的定义
假设G是由一些元素组成的集合，即G= {…，g，…}。 在G中定义 了一种二元合成规则(操作、运算，群的乘法)。 如果G对这种合成 规则满足以下四个条件： a)封闭性： G中任意两个元素的乘积仍然属于G。
b)结合律： c)单位元素。 集合G中存在一个单位元素e，对任意元素，
d)可逆性。 对任意元素
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四方（Tetragonal
）
9) 简单四方（P）
abc
10) 体心四方 （I）
90
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六角（Hexagonal）
旋转-反演
旋转-反演（Axis of inversion）：其对称操作是先进行旋转操 作(n)后立刻再进行反演操作，这样的复合操作称为记为 I类点操作和II点操作组合的复合操作，每一个操作本身不一定 是对称操作。
简称为倒反
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可以把倒格矢写成
定义2：倒格子基矢
b1垂直与a2，a3，写作
固体物理
Solid State Physics
物理学与信息技术学院
第1讲 晶体结构 1 Crystals Structure
➢晶体结构 Crystal Structure ➢晶列、晶面 Crystals Array and Plane ➢对称性 Symmetry ➢倒易空间 Reciprocal Space
：基转角； n 360 ：对称轴的轴次
AEmAB
mZ
C
2ABcos AC AB
cos m
A B E
2
m 2 2 1 0 1
D
3600 1800 1200 900 600
n 1 2 3 4 6
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Ti（0.5，0.5，0.5） O（0，0.5，0.5）（0.5，0，0.5）
（0.5，0.5，0）
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几种常见晶体结构
空间群：Fm3m Bravais格子：面心立方 原子及位置：Na（0，0，0）
Cl（0.5，0.5，0.5） 或互换 其他原子的位置？
晶系：按照晶胞的特征 对称元素可以分成7个不 同类型，称为晶系。 其晶格参数也具有不同 的特征
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14种Bravais空间点阵
空间点阵按点群对称性和带心的模式一共可以产生14种型式， 称为14种Bravais点阵或Bravais格子，Bravais点阵表示出所属 空间群的平移子群。 每种晶系最多可构成5种空间点阵， 1．简单点阵（P） 2．底心点阵（Ａ,Ｂ,C）(0.5,0.5,0),(0,0.5, 0.5)或(0.5,0,0.5) 3．面心点阵（F）(0.5,0,0),(0,0.5, 0)和(0,0,0.5) 4．体心点阵（I） (0.5,0.5,0.5) 5. 菱形点（R） ( 2/3,1/3,1/3),(1/3,2/3,2/3)
230 空间群符号 = Bravais点阵类型符号 + 点群对称元素
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立方体的对称操作
对称操作 —— 一个物体在某一个正交变换下保持不变 —— 物体的对称操作越多，其对称性越高 1 立方体的对称操作 （Pm3m） 1) 绕三个立方轴转动
14种Bravais 格子
1.简单三斜（P） 2.简单单斜（P） 3.底心单斜（C） 4.简单正交（P） 5.底心正交（C） 6.体心正交（I） 7.面心正交（F） 8.六角 （P） 9.三角 （R） 10.简单四角（P） 11.体心四角（I） 12.简立方 （P） 13.体心立方（b） 14.面心立方（F）
11) 六角 （P）
abc
90, 120
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立方（Cubic）
12) 简单立方（P）
abc
13) 体心立方（I）
90
14) 面心立方 （F）
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，存在逆元素
，使
则称集合G为一个群。
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1.对称轴
晶体对称定律（law of crystal symmetry）：在晶体中，只可能出现 轴次为1、2、3、4和6次的对称轴，而不可能存在五次及高于六次 的对称轴。 国际符号：1，2，3，4，6
, , 3 22
—— 9个对称操作
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立方体的对称操作
2) 绕6条面对角线轴转动 —— 共有6个对称操作 3) 绕4个立方体对角线 轴转动
—— 8个对称操作
4) 恒等变换 —— 1个对称操作
5) 以上24个对称操作加中心反演仍是对称操作
—— 立方体的对称操作共有48个
12立方1
13立方2
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正四面体的对称操作
—— 金刚石晶格（Fd3m）
四个原子位于正四面体的四个顶
角上，正四面体的对称操作包含
在立方体操作之中
1) 绕三个立方轴转动
—— 共有3个对称操作
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几种常见晶体结构
空间群：Pm3m Bravais格子：简单立方 原子及位置：Cs（0，0，0）
Cl（0.5，0.5，0.5） 或互换
立方钙钛矿（cubic pervoskite） 空间群：Pm3m Bravais格子：简单立方 原子及位置：Ba（0，0，0）
空间群：Fd3m Bravais格子：面心立方 原子及位置：C（0，0，0）
C（0.25，0.25，0.25） 其他原子的位置？
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晶体结构
晶体结构＝结构单元＋空间点阵
体现了对称性与周期性
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正交（Orthorhombic ）
abc
90
4) 简单正交（P） 5) 底心正交（C） 6) 体心正交（I） 7) 面心正交（F）
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三角（Trigonal）
8) 三角 （R,P）
abc
90120
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对称中心(II类)
反演（center of symmetry, 符号C）：为一假想的几何点，相应 的对称变换是对于这个点的倒反。 (r -r)，国际符号：
7对称中心
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晶体的周期性
晶格具有周期性，一些物理量具有周期性 考虑体系足够大（大于微米量级），表面效应不重要，势能函数
其中Rl为Bravaise格子的格矢
对于晶体来说，其他的一些性质，如质量密度，电子云密度，势场
等，均可写作周期函数
F(r)F(rRl)
将F(r)展成傅里叶级数 F(r) A(g)eigr g
A(Gh)Ω 1 ΩF(r)eiGhrdr
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其中Ω为原胞体积
A(g)Ω 1 ΩF(rRl)eigrdr
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倒格子
做代换r'=r+Rl
A(g)eigRnA(g)
A(g)eigRl 1 F(r')eigr'dr'
旋转-反映
➢旋转反映 n/m，包括绕对称轴的逆 时针旋转360°/n，接着作垂直反射。 旋转-反映等效于旋转-反演，不能提 供新的操作 所以新的晶体学国际表中只用旋转反演
1 /m m ,2 /m 1 ,3 /m 6 ,4 /m 4 ,6 /m 3
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对称轴图示
对称轴所构成的对称配置投影符号：
8二次轴 单斜 9三次轴 10四次轴 11六次轴
C1 (1)
C2 (2)
C3 (3)
C4 (4)
C6 (6)
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对称面(II类 )
反映（symmetry plane）：一假想的平面，称为反映面或镜面。 反映操作是从空间某一点向反映面引垂线，并延长该垂线到反映 面的另一侧，在延长线上取一点，使得到反映面等距 国际符号：m
群的定义
假设G是由一些元素组成的集合，即G= {…，g，…}。 在G中定义 了一种二元合成规则(操作、运算，群的乘法)。 如果G对这种合成 规则满足以下四个条件： a)封闭性： G中任意两个元素的乘积仍然属于G。
b)结合律： c)单位元素。 集合G中存在一个单位元素e，对任意元素，
d)可逆性。 对任意元素
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四方（Tetragonal
）
9) 简单四方（P）
abc
10) 体心四方 （I）
90
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六角（Hexagonal）
旋转-反演
旋转-反演（Axis of inversion）：其对称操作是先进行旋转操 作(n)后立刻再进行反演操作，这样的复合操作称为记为 I类点操作和II点操作组合的复合操作，每一个操作本身不一定 是对称操作。
简称为倒反
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可以把倒格矢写成
定义2：倒格子基矢
b1垂直与a2，a3，写作
固体物理
Solid State Physics
物理学与信息技术学院
第1讲 晶体结构 1 Crystals Structure
➢晶体结构 Crystal Structure ➢晶列、晶面 Crystals Array and Plane ➢对称性 Symmetry ➢倒易空间 Reciprocal Space
：基转角； n 360 ：对称轴的轴次
AEmAB
mZ
C
2ABcos AC AB
cos m
A B E
2
m 2 2 1 0 1
D
3600 1800 1200 900 600
n 1 2 3 4 6
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Ti（0.5，0.5，0.5） O（0，0.5，0.5）（0.5，0，0.5）
（0.5，0.5，0）
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几种常见晶体结构
空间群：Fm3m Bravais格子：面心立方 原子及位置：Na（0，0，0）
Cl（0.5，0.5，0.5） 或互换 其他原子的位置？
晶系：按照晶胞的特征 对称元素可以分成7个不 同类型，称为晶系。 其晶格参数也具有不同 的特征
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14种Bravais空间点阵
空间点阵按点群对称性和带心的模式一共可以产生14种型式， 称为14种Bravais点阵或Bravais格子，Bravais点阵表示出所属 空间群的平移子群。 每种晶系最多可构成5种空间点阵， 1．简单点阵（P） 2．底心点阵（Ａ,Ｂ,C）(0.5,0.5,0),(0,0.5, 0.5)或(0.5,0,0.5) 3．面心点阵（F）(0.5,0,0),(0,0.5, 0)和(0,0,0.5) 4．体心点阵（I） (0.5,0.5,0.5) 5. 菱形点（R） ( 2/3,1/3,1/3),(1/3,2/3,2/3)
230 空间群符号 = Bravais点阵类型符号 + 点群对称元素
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立方体的对称操作
对称操作 —— 一个物体在某一个正交变换下保持不变 —— 物体的对称操作越多，其对称性越高 1 立方体的对称操作 （Pm3m） 1) 绕三个立方轴转动
14种Bravais 格子
1.简单三斜（P） 2.简单单斜（P） 3.底心单斜（C） 4.简单正交（P） 5.底心正交（C） 6.体心正交（I） 7.面心正交（F） 8.六角 （P） 9.三角 （R） 10.简单四角（P） 11.体心四角（I） 12.简立方 （P） 13.体心立方（b） 14.面心立方（F）
11) 六角 （P）
abc
90, 120
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立方（Cubic）
12) 简单立方（P）
abc
13) 体心立方（I）
90
14) 面心立方 （F）
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，存在逆元素
，使
则称集合G为一个群。
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1.对称轴
晶体对称定律（law of crystal symmetry）：在晶体中，只可能出现 轴次为1、2、3、4和6次的对称轴，而不可能存在五次及高于六次 的对称轴。 国际符号：1，2，3，4，6
, , 3 22
—— 9个对称操作
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立方体的对称操作
2) 绕6条面对角线轴转动 —— 共有6个对称操作 3) 绕4个立方体对角线 轴转动
—— 8个对称操作
4) 恒等变换 —— 1个对称操作
5) 以上24个对称操作加中心反演仍是对称操作
—— 立方体的对称操作共有48个
12立方1
13立方2
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正四面体的对称操作
—— 金刚石晶格（Fd3m）
四个原子位于正四面体的四个顶
角上，正四面体的对称操作包含
在立方体操作之中
1) 绕三个立方轴转动
—— 共有3个对称操作
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几种常见晶体结构
空间群：Pm3m Bravais格子：简单立方 原子及位置：Cs（0，0，0）
Cl（0.5，0.5，0.5） 或互换
立方钙钛矿（cubic pervoskite） 空间群：Pm3m Bravais格子：简单立方 原子及位置：Ba（0，0，0）
空间群：Fd3m Bravais格子：面心立方 原子及位置：C（0，0，0）
C（0.25，0.25，0.25） 其他原子的位置？
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晶体结构
晶体结构＝结构单元＋空间点阵
体现了对称性与周期性
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正交（Orthorhombic ）
abc
90
4) 简单正交（P） 5) 底心正交（C） 6) 体心正交（I） 7) 面心正交（F）
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三角（Trigonal）
8) 三角 （R,P）
abc
90120
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对称中心(II类)
反演（center of symmetry, 符号C）：为一假想的几何点，相应 的对称变换是对于这个点的倒反。 (r -r)，国际符号：
7对称中心
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晶体的周期性
晶格具有周期性，一些物理量具有周期性 考虑体系足够大（大于微米量级），表面效应不重要，势能函数
其中Rl为Bravaise格子的格矢
对于晶体来说，其他的一些性质，如质量密度，电子云密度，势场
等，均可写作周期函数
F(r)F(rRl)
将F(r)展成傅里叶级数 F(r) A(g)eigr g
A(Gh)Ω 1 ΩF(r)eiGhrdr
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