当前位置 ->§ 3 分子的对称性 -> 3.1 对称操作和对称元素 -> 3.1.4 群的定义

四、群的定义


1.群的定义:
    一组元素集合若满足以下四个条件,则组成一个数学群:
    ①集合中任意两个元素的乘积(包括一个元素的平方)必为群中的一个元素。──群的封闭性

②集合中必有一个元素可与其它所有元素交换,并使它们不变,通常称之为恒等元素E。

    ③乘法结合律成立,即(AB)C = A(BC)。
    ④每个元素都有一个逆元素,它也是群的元素,若RS=E,则R,S互为逆元素,有些元素本身为自己的逆。

  即

现以分子为例说明。存在一个通过N的轴,旋转分子都能与原来图象重合,我们说分子至少能存在一个群,包含三个群元素。可检验它是否满足条件:

                   

    即分子先绕轴旋转120度,再转240度,共转360度等于恒等元素;分子绕轴转240度,再转240度,等于绕轴转动480度,扣去360度,相当于绕轴转动120度。──满足封闭性

    ②群中存在恒等元素E。
    ③,乘法结合律成立。
    ④因为,所以互为逆元素,则四个条件都满足,所以三个元素组成一个群。

2.群的乘法
    仍以为例。实际上除了存在轴外,还存在经过轴与键的平面。通过平面反映,可将键反映到键,同理还有经过轴与键的平面,经过轴与,共有三个垂直平面,相交于轴,现在我们来做它的乘法表。

    ①首先,根据恒等元素与任何元素相乘,等于它本身可写出第一行与第一列,再根据群中的结果可写出乘法表左上角的结果。
 
     
     
         
         
         
    ②第二步,进行右上角的乘法,分子进行反映,N和H1保持不变,H2与H3互换位置,再绕轴旋转120度,则N还是不变,H2到H1位置,H1到H2位置,H3回到原位置,两个操作的净结果,相当于一个平面反映……可写出右上角的九个结果。
    ③同理也可写出左下角的九个结果。
 
     
     
     
    ④最后1/4乘法表是平面相乘,每个平面与自己相乘的结果是恒等元素,分子进行反映,则N原子保持不变。H3还在H1的位置,H2到了H3的位置,H1到了H2的位置,净结果相当于一个的旋转。分子先进行反映,再进行反映,净结果相当于分子旋转240度()。……同理可得到平面相乘结果都是旋转。这样,我们做出了点群的乘法表

点群的乘法表

 
    点群共有六个元素,六个元素相乘所得结果还在这六个元素之中,满足封闭性,又有恒等元素E,元素互为逆元素,三个元素与自身为逆元素,还满足乘法结合律,符合群的条件。
3.群的一些相关概念
  (1)群的分类:群有各种类型,如旋转群,置换群,点群,空间群,李群……
  本章介绍的是研究分子对称性的对称点群,本课程在介绍晶体结构时要介绍空间群,对称点群的特点是所有的对称元素交于一点。
  (2)群阶:群所含的对称元素个数称为群阶,如群群阶为3,群群阶为6。
  (3)类:群中某些对称元素在相似变换中互为共轭元素的可分为一类。如点群中的元素可分为三类,E元素成一类,旋转成一类。三个平面而成一类。
  (4)子群:在一些较大的群中可以找到一些较小的群,称为子群。例如:群中有子群。子群也要满足群的四个要求。
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