Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Практическая кристаллография

..pdf
Скачиваний:
63
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
21.64 Mб
Скачать

Учитывая широкую популярность кубических кристаллов в решении мно­ гих технических задач, приведем еще несколько характерных примеров дей­ ствия этой наклонной оси симметрии третьего порядка [111]. Выберем в каче­ стве исходной вертикальную грань ромбододекаэдра D (110) (р = 90°; ср = 45°) (рис. 7.2, б, рис. 1.2, в). Наклонная ось симметрии третьего порядка [111] позволит связать эту грань с другими гранями ромбододекаэдра: Е (011) (р = 45°; ф = 0), F( 101) (р = 45°; Ф = 90°).

Этой же наклонной осью симметрии третьего порядка [111] можно связать друг с другом грани пентагондодекаэдра: G (210) (р = 90°; ф), К (021) (р = ф; Ф = 0), М (102) (р = 90° —ф; ф = 90 —ф°) (рис. 7.2, в, рис. 1.2, г), а также грани общего положения пентагонтритетраэдра: У (312), Р (231), R (123) (рис. 1.1, д).

Наличие простой оси симметрии четвертого порядка Z,4 характерно не толь­ ко для кристаллов класса симметрии 4, к анализу которого переходим, но и для некоторых классов симметрии кубических кристаллов, что позволяет объеди­ нить рассмотрение воздействия этих осей симметрии.

Вертикальная ось симметрии четвертого порядка (рис. 7.3, а) связывает друг с другом грани вертикальной тетрагональной пирамиды с одинаковыми значе­ ниями полярных расстояний (р): А (111) (ф = 45°), В (111) (ф = 315°), С (111) = 225°), D (111) = 135°) (рис. 1.8, б).

Горизонтальная ось симметрии четвертого порядка (рис. 7.3, б) связыва­ ет друг с другом грани тетрагональной призмы (с горизонтальной осью): А (р; ф = 90°), В (90° - р; Ф = 270°), С (180° - р; ф = 270°), D (90° + р; Ф = 90°).

Для кристаллов гексагональной сингонии класса симметрии 6 с единствен­ ной осью симметрии шестого порядка Ь6 характерна лишь вертикальная ори­ ентировка последней. В качестве примера действия такой оси симметрии при­ ведем грани гексагональной пирамиды (рис. 1.8, в), которые образуют одинако­ вые углы с вертикальной осью пирамиды и сферические координаты которых различаются лишь своими долготами: А (р; ф), В (р; ф + л/6), С (р; ф + л/3), D (р; Ф + л/2), £(р; ф + 2л/3), F(p; <р+5я/6) (рис. 7.4).

Завершив рассмотрение классов симметрии, где в роли единственных эле­ ментов симметрии присутствовали простые поворотные оси симметрии, пере­ ходим к анализу аналогичных классов симметрии, в которых единственными элементами симметрии выступают инверсионные оси симметрии. Напомним,

Рис. 7.3. Объединение граней с помощью осей симметрии четвертого порядка: а — граней А, В, С, D тетрагональной пирамиды вертикальной осью симметрии; б — граней А, В, С тетрагональной призмы D горизонтальной осью симметрии

Рис. 7.4. Объединение гранейА В, С, Д Е, F
гексагональной пира­ миды вертикальной осью симметрии шестого порядка

что инверсионные оси симметрии отличаются от про­ стых осей симметрии наличием двух компонентов сим­ метрического преобразования: у инверсионных осей сим­ метрии помимо поворота на элементарный угол присут­ ствует еще второй компонент — отражение в центре ин­ версии (как в центре симметрии).

Инверсионный класс симметрии 3 содержит един­ ственный элемент симметрии, т. е. вертикальную инвер­ сионную ось симметрии третьего порядка, которая вклю­ чает в себя сложное симметрическое преобразование: поворот на элементарный угол 120° и отражение в цент­ ральной точке фигуры (как- в центре симметрии).

Важно отметить, что инверсионная ось симметрии тре­ тьего порядка имеет эквивалентную замену с помо­ щью двух простых элементов симметрии: простой оси

симметрии третьего порядка Ьг и центра симметрии С. Подобная замена позво­ ляет во многих случаях упростить решение задачи.

Для ромбоэдра — кристаллического многогранника тригональной сингонии (рис. 1.11, г) — характерно наличие вертикальной инверсионной оси симмет­ рии третьего порядка / 3, которая включает в себя помимо простой поворотной оси симметрии третьего порядка Ьъеще центр симметрии. На рис. 7.5, а приве­ дена стереографическая проекция нормалей граней ромбоэдра А, В, С, D, Е, F Проследим, каким образом инверсионная ось симметрии третьего порядка мо­ жет связать друг с другом эти грани. Например, грань ромбоэдра А поворачива­ ется под действием инверсионной оси (против часовой стрелки) на 120° и становится в положение грани В (это — лишь промежуточное положение для грани А). Затем осуществляется вторая часть описываемого симметрического преобразования: отражение в центре симметрии, в результате которого грань А переходит с верхней полусферы, где она ранее находилась, на нижнюю полу­ сферу и совмещается с равной ей гранью F со сферическими координатами (я — р; <р = 150°).

В свою очередь, грань / ’совершает поворот на 120° по нижней полусфере и временно занимает положение грани D, после чего отражается в центре сим­ метрии, переходит на верхнюю полусферу и совмещается с равной ей гранью С со сферическими координатами (р; ф = 210°). Пользуясь тем же алгоритмом, можно с помощью инверсионной оси симметрии третьего порядка связать друг с другом и остальные грани ромбоэдра: грань С — с гранью Е, грань Е — с гранью В, грань В — с гранью D и, наконец, грань D — с гранью А.

Таким образом, с помощью инверсионной оси симметрии третьего порядка можно связать друг с другом все шесть равных граней ромбоэдра, доказав тем самым их полную эквивалентность. Особо отметим, что инверсионная ось сим­ метрии третьего порядка существенным образом отличается от других инвер­ сионных осей симметрии (инверсионных осей симметрии четвертого и шесто­ го порядков) тем, что у нее центр инверсии совмещен с центром симметрии. Упомянутые инверсионные оси симметрии четвертого и шестого порядков во­ обще не имеют центра симметрии (имеют лишь центр инверсии, который в

отличие от центра симметрии не является самостоятельным элементом сим­ метрии, а действует только в совокупности с самой инверсионной осью). Воз­ можно, из-за сходства обоих центров часто можно встретить ошибочное утвер­ ждение об их идентичности.

Класс симметрии ? характеризуется наличием одной единственной верти­ кальной инверсионной оси симметрии четвертого порядка. Особенности вер­ тикальной инверсионной оси симметрии четвертого порядка рассмотрим на наглядном примере кристаллического многогранника, который образован ком-

Рис.7.5. Объединение граней кристаллов вертикальными инверсионными осями симметрии: а — граней А, В, С, D, Е, /'ромбоэдра осью L,\ б — граней А, В, С, Dтетраэдра и граней a, b, с, d верти­ кальной тетрагональной призмы осью в — тетраэдра и вертикальной тетрагональной призмы (в комбинации); г — стереографической проекции в; д — граней АВС тригонаЛЬной призмы осью ; е — граней А, В, С, D, Е, /тригональной дипирамиды осью Ьъ

бинацией граней тетрагонального тетраэдра А, В, С, D (рис. 1.11, а) и тетраго­ нальной призмы abed (рис. 1.7, б) (как показано на рис. 7.5, б).

Грани вертикальной тетрагональной призмы abed отсекают вершины тетра­ гонального тетраэдра ABCD (рис. 7.5, б). При этом пропадают все плоскости симметрии и горизонтальные оси симметрии второго порядка, которыми рас­ полагали обе составляющие фигуры, а_из двух вертикальных осей симметрии четвертого порядка (инверсионная ось 4 у тетраэдра и простая ось 4 у призмы) остается инверсионная ось симметрии. На рис. 7.5, в приведена стереографичес­ кая проекция нормалей фигуры, показанной на рис.7.5, б.

Грань А (р; ср = 45°) после поворота на элементарный угол 90° (против часовой стрелки) занимает положение на верхней полусфере со сферическими координатами (р; ср = 315°) (точно над гранью D), а после последующего отра­ жения в центре инверсии переходит в диаметрально противоположную точку сферы и совмещается с гранью С (л — р; ср = 135°). Далее по тому же алгоритму грань С можно совместить с гранью В, грань В — с гранью D, а грань D с гранью А. В свою очередь, вертикальные грани фигуры аналогичным образом совмещаются друг с другом: грань а (90°; ср) — с гранью с (90°; ф + л/2), грань с (90°; ф + л/2) — с гранью b (90°; ф + л), грань b (90°; ф + л) — с гранью d (90°;

Ф+ Зл/2), грань d (90°; ф + Зл/2) с гранью а (90°; ф ) .

Приведенный пример позволяет наглядно убедиться в отсутствии центра симметрии у инверсионной оси симметрии четвертого порядка. Если бы такой центр присутствовал, то у каждой грани обязательно присутствовало бы соот­ ветствующее отражение — аналогичная грань в диаметрально противополож­ ной точке сферы.

К инверсионному классу симметрии 6 принадлежат кристаллы, грани кото­ рых связаны единственным элементом симметрии — инверсионной оси сим­ метрии шестого порядка Ьг. Для примера рассмотрим вертикальные грани тригональной призмы (с поперечным сечением в виде равностороннего треуголь­ ника) (рис. 1.7, а). Стереографические проекции их нормалей представлены на рис. 7.5, г. Хотя грани этой призмы повторяются через каждые 120°, было бы преждевременным принять этот угол за элементарный угол.

Действительно, если грань А повернуть всего на 60° (против часовой стрел­ ки), то после отражения в центре инверсии (в центре сферы проекций) эта грань совместится с аналогичной гранью С. После такого же поворота и отра­ жения в центре инверсии грань С совместится с гранью В, а грань В — с гранью А. Следовательно, грани тригональной призмы связаны друг с другом верти­ кальной инверсионной осью симметрии шестого порядка, которая включает в себя два симметрических преобразования: поворот на элементарный угол 60° и отражение в центре инверсии — зеркальной точке, как в центре симметрии.

Подтвердим правильность такого определения. Повернем (против часовой стрелки) грань тригональной дипирамиды А (р; ф = 30°) на 60° — элементар­ ный угол, характерный для оси симметрии шестого порядка (рис. 7.5, д), и отра­ зим ее в центре инверсии (т.е. в центральной точке сферы проекций — в дан­ ном случае ее можно назвать зеркальной точкой). В результате этих преобразо­ ваний грань А совместится с эквивалентной гранью F (л — р; ф = 150°) на нижней полусфере. Аналогичным образом эта вертикальная инверсионная ось

симметрии шестого порядка поможет совместить грань F с гранью В, грань В — с гранью D, грань D — с гранью С, грань С — с гранью Е, грань Е — с гранью А.

Кроме того отметим, что симметрическое преобразование, описываемое ин­ версионной осью симметрии шестого порядка, можно заменить двумя просты­ ми симметрическими преобразованиями — поворотом вокруг простой пово­ ротной оси симметрии третьего порядка L3на 120° и отражением в перпенди­ кулярной плоскости симметрии, что покажем на примере тригональной дипи­ рамиды (рис. 1.9, а).

Действительно, грань А (рис. 7.5, д) после поворота на 120° и отражения в горизонтальной плоскости совместится с равной ей гранью Е (на нижней по­ лусфере). Грань Е, в свою очередь, после аналогичных преобразований займет положение равной ей грани С (на верхней полусфере), грань С займет положе­ ние грани D, грань D заместит грань В, грань В сменит грань F и, наконец, грань F займет положение грани А и замкнет цепочку симметрических преобразова­ ний, эквивалентных инверсионной оси симметрии шестого порядка.

Завершая рассмотрение первой партии точечных ipynn (классов) симмет­ рии, которые представлены единственными элементами симметрии, перейдем к классу симметрии т, кристаллы которого содержат единственную плоскость симметрии. Взаимное расположение стереографических проекций граней, ко­ торые связывает друг с другом эта плоскость симметрии, существенным обра­ зом зависит от пространственной ориентировки самой плоскости симметрии, поэтому в дальнейшем изложении рассмотрим любые возможные положения плоскости симметрии.

Горизонтальная плоскость симметрии связывает друг с другом грани А и В (рис. 7.6, а). Их стереографические проекции (подразумеваем, конечно, стерео­ графические проекции их нормалей) накладываются друг на друга. Поэтому обе грани будут характеризоваться одинаковой долготой ср, а их полярные рас­ стояния будут: для грани А — р, а для грани В — (я - р).

Вертикальная плоскость симметрии Р связывает друг с другом грани А и В (рис. 7.6, б). В отличие от предыдущего случая, когда проекции симметричных граней располагались на разных полусферах (рис. 7.6, а), при отражении проек­ ции в вертикальной плоскости симметрии ее полусфера остается прежней. Если полярные координаты грани А (р; ср), то полярное расстояние грани достанется прежним (р), а долгота грани В изменится на величину я: (ср + л).

Для построения отражения стереографической проекции грани А (р; <р) в наклонной плоскости симметрии Р (рис. 7.6, в) совместим центральным пово­ ротом кальки точки С и Я плоскости симметрии с вертикальным диаметром сетки Вульфа (рис. 7.6, г). Через полюсы сетки Вульфа и проекцию грани А проведем меридиональную дугу НаАС. По горизонтальному диаметру сетки Вульфа отложим отрезок Ьс, равный отрезку ab — углу между плоскостью сим­ метрии Р и меридиональной плоскостью НаАС, и проведем еще одну меридио­ нальную дугу НсС. Теперь осталось отложить на новом меридиане угловой от­ резок ВС, равный дуге АС. Точка В — искомая стереографическая проекция нормали грани, которую наклонная плоскость симметрии Р связывает с гранью А. На рис. 7.6, д показан результат возврата стереографической проекции в ис­ ходное положение.

Данный обзор был посвящен анализу одиночных, изолированных элементов симметрии, связывающих друг с другом аналогичные, равные и равноценные грани кристалла, ребра кристалла, эквивалентные атомные плоскости, анало­ гичные атомные ряды. Цель этого обзора — не только в ознакомлении с деся­ тью простейшими точечными группами (классами) симметрии, но и в подго­ товке к анализу более сложных объектов: стереографических проекций граней кристаллических многогранников, когда взаимосвязь граней кристалла опреде­ ляется не одним отдельным, одиночным изолированным элементом симмет­ рии, а всей совокупностью многих элементов симметрии, которыми многие кри­ сталлы довольно богаты.

Предстоящая расшифровка стереографических проекций, благодаря кото­ рым можно с математической точностью описывать взаимное пространствен­ ное расположение неограниченного множества атомных рядов и атомных плос­ костей кристалла, осложняется не только количеством одновременно присут-

Рис. 7.6. Объединение граней А и В плоскостью симметрии: а — горизонтальной Р, б — вертикальной Р, в — наклонной Р (исходная грань А); г — наклон­ ной Р (построение отражения грани А в этой плоско­ сти); д — наклонной Р (связывает грани А и В)

ствующих в кристалле разнообразных элементов симметрии, но и тем, что эти элементы симметрии еще вступают друг с другом в сложное взаимодействие, к анализу которого приступаем в следующем пункте.

7.2. Взаимодействие элементов симметрии кристаллических многогранников

Рассмотрим пять задач (условно именуемых теоремами) взаимодействия элементов симметрии: 1) плоскостей симметрии друг с другом; 2) простых осей симметрии друг с другом; 3) осей симметрии с параллельными плоско­ стями симметрии; 4) осей симметрии четного порядка с перпендикулярной плоскостью симметрии (или с центром симметрии); 5) оси симметрии Ln с перпендикулярной осью симметрии второго порядка Lr

Теорема 1. Линия пересечения плоскостей симметрии является осью симметрии

Рассмотрим взаимодействие двух вертикальных плоскостей симметрии Рх и Р2, образующих двугранный угол 0 (рис. 7.7, а), а также несимметричную фиг. А, с тем чтобы проанализировать результат последовательного отражения этой фи­ гуры в обеих плоскостях симметрии.

Зеркальное отражение фиг. А в вертикальной плоскости Рхприводит к по­ явлению фиг. В. Хотя предмет и его изображение связаны симметрией, однако очевидно, что «хвосты» обеих фигур обращены в разные стороны. Последующее отражение фиг. В во второй плоскости симметрии Р2 (отражение отражения) представлено фиг. С, у которой «хвост» вновь повернут в исходное положение (вправо).

Таким образом, результат последовательного отражения пробной фиг. А в двух пересекающихся под углом 0 плоскостях симметрии полностью эквива­ лентен повороту на угол 20 вокруг линии L пересечения этих плоскостей. Сле­ довательно, линия L на самом деле является осью симметрии.

Если двугранный угол между плоскостями симметрии Рхи Р2 составлял 0, то, заменяя отражение исходной фиг. А в плоскостях симметрии Рхи Р2 одним поворотом фиг. А на угол 20 относительно линии пересечения плоскостей L, перейдем от двукратного симметрического преобразования одного типа (отра­ жения в зеркальной плоскости симметрии) к однократному симметрическому преобразованию другого типа (повороту вокруг оси симметрии), что является Доказательством логического заключения.

Рассмотренный результат взаимодействия пересекающихся плоскостей сим­ метрии имеет ряд немаловажных следствий. Во-первых, из того факта, что угол поворота фиг. А в два раза превышает угол между пересекающимися плоско­ стями симметрии, следует весьма серьезный вывод об ограничении возможных знач^ний между плоскостями симметрии в кристалле. Действительно, разре­ шенные углы между плоскостями симметрии в кристаллах ограничены лишь следующими величинами: 30°, 45°, 60° и 90°, поскольку кристаллы могут иметь только оси симметрии второго, третьего, четвертого и шестого порядков (с со-

о

Рис. 7.7. К взаимодействию элементов симметрии друг с другом: плоскостей симметрии (а); осей симметрии (б); оси симметрии с плоскостью симметрии (в)\ оси симметрии четного порядка с перпендикулярной плоскостью симметрии (г); оси симметрии с центром симметрии (д); оси симметрии Ln с перпендикулярной осью симметрии второго порядка Ь2 (е)

ответствующими элементарными углами 180°, 120°, 90° и 60°). Во-вторых, линия пересечения двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии является осью симметрии второго порядка. Этот частный случай имеет важное значение, поскольку довольно часто встречается при решении теоретических и практи­ ческих задач (например, при пересечении вертикальных и горизонтальных плос­ костей симметрии друг с другом). В-третьих, в ряде теоретических выкладок можно прибегнуть к эквивалентной замене простой поворотной оси симмет-

Аналогичным образом можно показать, что при взаимодействии оси сим­ метрии шестого порядка с параллельной плоскостью симметрии возникнет шесть таких плоскостей симметрии под углами 30°, а при взаимодействии оси сим­ метрии третьего порядка с параллельной плоскостью симметрии возникнет три таких плоскости симметрии под углами 60° и т.д.

Теорема 4. При взаимодействии оси симметрии четного порядка Ьгк с перпендикулярной плоскостью симметрии Р возникает центр симметрии С

На рис. 7.7, г показаны вертикальная ось симметрии второго порядка Ь2 и горизонтальная плоскость симметрии Р, а также исходная несимметричная фиг. 1, верхняя и нижняя поверхности которой окрашены в разные цвета (белый и черный). Повернув фиг. 1 вокруг оси симметрии на элементарный угол 180°, мы получим фиг.2, обращенную к нам своей нижней (черной) стороной. Затем, воспользовавшись плоскостью симметрии Р, получим фиг. 3 и 4.

Для расшифровки полученного результата (рис. 7.7, г) сопоставим его с (рис. 7.7, д), где показан результат размножения аналогичной фиг.1 с помощью центра симметрии С. Сопоставление обоих результатов позволяет сделать вы­ вод о присутствии в обоих случаях одного и того же элемента симметрии — центра симметрии. Действительно, подобно рис. 7.7, д, где обе фигуры, связан­ ные центром симметрии, обращены к нам разными своими сторонами, на рис. 7.7, г присутствуют такие же разноцветные пары: фиг. 1 и 4, фиг. 3 и 2.

Важные следствия теоремы 4 сформулированы ниже.

1.Если у кристаллического многогранника имеется ось симметрии четного порядка и центр симметрии, то у него обязательно должна быть плоскость сим­ метрии, перпендикулярная указанной оси симметрии.

2.Если у кристаллического многогранника обнаружены плоскость симмет­ рии и центр симметрии, то у него обязательно должна быть простая ось сим­ метрии четного порядка, которая располагается перпендикулярно плоскости симметрии.

Теорема 5. При взаимодействии простой оси симметрии (л-го порядка) Lnс перпендикулярной осью симметрии второго порядка Ьг возникает и таких же осей симметрии Lv которые образуют друг с другом углы, равные половине элементарного угла

Для доказательства этого положения рассмотрим взаимодействие вертикаль­ ной простой оси симметрии шестого порядка Ь6 и горизонтальной оси симмет­ рии второго порядка L2 (рис. 7.7, е). После размножения пробной фиг. 1 с помо­ щью вертикальной оси симметрии Ь6 получим аналогичные фиг. 2—6. Затем продолжим размножение пробных фигур с помощью горизонтальной оси сим­ метрии Ь2 и получим еще шесть фигур: 1 —6', обращенных к нам своими ниж­ ними сторонами.

Таким образом, взаимодействие вертикальной оси симметрии шестого по-