解说晶体材料的7个晶系和32种点群

2025-01-10

晶体的7大晶系和32种点群是晶体学中的重要概念,它们分别描述了晶体的内部结构和对称性。

晶体的7大晶系

晶体的7大晶系是基于晶体内部原子、离子或分子的排列方式,以及它们所形成的对称轴和对称面的特征进行分类的。这7大晶系分别是:

1. 立方晶系:又称等轴晶系,具有4个三次对称轴和3个互相垂直的二次对称轴。

2. 六方晶系:又称六角晶系,具有1个六次对称轴和3个互相垂直的二次对称轴。

3. 四方晶系:又称正方晶系,具有1个四次对称轴和3个互相垂直的二次对称轴。

4. 三方晶系:又称三角晶系或菱方晶系,具有1个三次对称轴和3个互相垂直的二次对称轴。

5. 正交晶系:又称斜方晶系,具有3个互相垂直的二次对称轴,但无高次对称轴。

6. 单斜晶系:具有1个二次对称轴,且该对称轴与其他两个轴均不垂直。

7. 三斜晶系:是七大晶系中对称性最低的晶系,没有高次对称轴,且三个轴均不垂直。
晶体的32种点群

晶体的32种点群是基于晶体在宏观上呈现出的对称性进行分类的。这些点群描述了晶体在受到对称操作(如旋转、反映等)后能够复原的对称动作集合。32种点群可以分为以下几类:

1. 三斜晶系点群:包括C1和Ci两种点群,其中C1表示无任何对称性的点群,Ci表示存在对称中心的点群。

2. 单斜晶系点群:包括C2、Cs、C2h三种点群,其中C2表示存在一根二次旋转轴的点群,Cs表示存在一根镜面对称轴的点群,C2h表示同时存在一根二次旋转轴和一个与该轴垂直的镜面的点群。

3. 正交晶系点群:包括D2、D2v、D2h、C3v(虽然通常归于三方晶系点群,但某些正交晶系也可出现)、C3i(同上)、D3d(同上,但更常见于三方晶系)以及简单正交特有的D2d、简单正交和底心正交共有的C4v、D4h等点群。这些点群描述了晶体中存在多个互相垂直的二次对称轴、旋转轴或镜面对称轴的情况。

4. 四方晶系点群:包括C4、C4h、D4、S4、D2d(也见于正交晶系)以及四方晶系特有的C4v、D4h等点群。这些点群描述了晶体中存在一个四次对称轴和多个二次对称轴的情况。

5. 三方(三角、菱方)晶系点群:包括C3、C3i、D3、C3v、D3d等点群,这些点群描述了晶体中存在一个三次对称轴和多个二次对称轴的情况。特别地,六方晶系可以看作是三方晶系的一个特例,因此其点群(如C6、C6h、D6、C3h、D6h等)也归入此类。但需要注意的是,六方晶系的点群在描述上更侧重于六次对称轴和相关的二次对称轴。

6. 立方晶系点群:包括T、Th、Td、O、Oh等点群,这些点群描述了晶体中存在多个三次对称轴、四次对称轴(在Td和Oh中)以及可能的旋转反映操作的情况。立方晶系的点群是晶体学中对称性最高的点群之一。

晶体可以分为7大晶系,32种点群,其中20种点群不具有中心对称,它们的电偶极矩可因弹性形变而改变,因而具有压电性并称之为压电体。在压电体中具有一个极轴(又称为自发极化轴)的10种点群可出现自发极化,即在无外电场存在的情况下也存在电极化。它们因受热产生电荷,故称为热释电体。在这些极性晶体中,因外电场作用而改变自发极化方向的晶体便是铁电体。因此,凡是铁电体,必然是热释电体,而热释电体也必然是压电体。

需要指出的是,上述分类是相对而言的,因为某些点群可能同时出现在多个晶系中(如C3v、D3d等),这取决于晶体的具体结构和对称性。此外,随着晶体学研究的深入和发展,新的晶系和点群也可能被发现和定义。因此,在学习和应用这些知识时,需要保持开放和灵活的态度。

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