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珠宝知识139:珠宝考研考证篇(七)晶体的对称要素

第五讲和第六讲中,重要的内容是晶体的六大性质,包括自限性、异向性、均一性、对称性、最小内能性和稳定性,并且我们着重讲到了异向性、均一性和对称性这三个特征并不是矛盾的,只是从不同的角度描述了晶体的性质而已。在这晶体的六大性质中,其中最为重要的一个性质是对称性,晶体的对称是研究晶体最为基础的一个性质,是晶体分类的基础。今天着重讲一下晶体的对称。


对于对称,我们并不陌生,对称在生活中是非常常见的一种性质,而且在各种各样的产品设计中,对称作为一种美的形式无时不刻的存在着。下面先我们看几张图片。

每天早上起床第一件事情就应该是对着镜子洗漱吧?镜子中的我们和镜子外面中的我们一定是对称的,我们暂且将这种对称称之为镜面对称,由于镜子是对外界事物的一种反映,所以晶面对称也可以叫做反映对称。

这是一张美丽蝴蝶的图片,毫无疑问,蝴蝶的两张翅膀一定是对称的,如果说我们在蝴蝶的中间放上一面镜子,那么镜子中对蝴蝶的翅膀一定是有一个映像的,这个映像应该与另一面的翅膀应该是同形等大、方向相同、完全重合的,所以可以说两个翅也是符合对称定义的,而且这种对称属于镜面对称或者反映对称

但是如果在蝴蝶的中间放上一根棍子,作为一个旋转轴,让其中的一个翅膀围绕这个旋转轴旋转180°后,两个翅膀也可以完全重合的。上一讲中其实我们已经讲到了,只要是能够通过一定的办法,让两个相同的部分完全重合,那就是符合对称的定义的。所以其中一个翅膀通过旋转与另一个翅膀重合,那么就是对称的,我们暂且将这种对称称之为旋转对称

这是一张雪花的图片,非常的漂亮,整体上来看,雪花的图案是非常规整的,实际上是符合对称定义的,我们看红色方框中的这一个图片,如果将一面镜子放在中间,左右是可以完全重合的,属于镜面对称;如果将一个旋转轴放置在O点,那么A围绕旋转轴逆时针旋转60°,可以与B点完全重合;再旋转60度,可以与C点重合;以此类推,可以分别与D、E、F甚至与自己A点完全重合,符合旋转对称

好了,这一次让我们进行另外一种操作,我们将A点与中心点O点连线,然后沿着AO线段继续延长,延长的长度与AO线段相等,我们会发现,延长线的另外一端是与A点完全相同的D点,我们将这一类操作称之为反伸操作,所对应的对称,暂且称之为反伸对称

通过上面这三张图片,我们已经了解到了,事物的宏观对称,可以镜面对称或反映对称、旋转对称和反伸对称,这几个对称所应用到的操作,我们称之为反映操作、旋转操作和反伸操作,在这些操作中,我们假想了一些事物,比如说镜子、旋转中和一个中心点,这些假想的事物在物体中不是真实存在的,而是借助的假想的,虽说是假想的,但是并不妨碍我们理解事物的对称,我们可以进一步的把它们简化成为几何图形,既然是几何图形,离不开点、线、面,所以镜子(面)、旋转轴(线)、中心点(点),那么这些假想的几何图形,分别称之为对称面、对称轴和对称中心,这三个概念在研究晶体的对称中,是非常重要的,将他们统称为晶体的对称要素。下面就让我们看看对称要素的完整的定义。

1、对称中心(点),英文字母C表示:

对称中心是晶体中一个假想点,所对应的对称操作为反伸,在通过此点的任意直线上,距该点等距离的两端必有对应的相同部分。

注:

(1)对称中心是一个假象的点,不是真实存在的。

(2)对应的操作为反伸操作。

(3)具有对称中心的点,相对应的晶面是呈反向平行的,并且大小相等。利用几何的最基本的特征可以很好的理解。看下面这张图片,AO=CO、BO=DO、EO=FO、GO=HO,并且对应的AD∥BC,且AD=BC;AB∥CD,并且AB=CD,反向平行,且大小相等。


(4)并不是所有的晶体都具有对称中心。看下图中的左图,具有对称中心,沿着对称中心做任意线段,距离对称中心等距离的位置总有对应点;但是有图中的四面体则寻找不到对称中心。



2、对称轴——线,用英文字母L表示:

对称轴是一条假想的直线,相应的对称操作为围绕此直线的旋转,物体围绕该直线旋转一定角度后,可使相同部分重复。

注:

(1)对称轴是假想的直线,并不是真实存在的。

(2)对应的操作为旋转,但是旋转并不是任意的,而且是围绕着对称轴旋转。

PS:在实际的教学过程中,很多同学拿着晶体的模型不知道如何去旋转,其实很简单,就是要围绕着一根轴来旋转,比如车轮在旋转的时候,车轮的中心是有一根轴的,这根轴是不动的,而车轮则是围绕着这根轴不停的转动,这就是一种旋转的操作。


(3)在前面我们看到,旋转的角度可以是180°使两部分重合,也可以旋转60°,使两个相同的部分重合,将旋转一周重复的次数称之为轴次。

比如说,最少旋转180°才能使得两个相等的部分重合,那么旋转360度后,必定可以重合两次(最后一次是与自己重合),那么该对称轴称之为二次轴;如果旋转的最小角度为60度,可以使得两个相等的部分重合,那么旋转360°后,可以不断的重复六次,该对称轴称之为六次轴。

(4)对称轴的表示:用英文字母L表示,轴次则写在字母L的右上角,比如说二次轴表示为L2、六次轴表示为L6

(5)高次轴:轴次大于2的对称轴,比如L3、L4、L6

低次轴:轴次小于等于2的对称轴,比如L2、L1


PS:不要忽略L1,所有的晶体都是存在对称轴的。在后面的学习过程中,经常使用到的对称轴包括二次、三次、四次和六次轴,但是不要忽略,晶体旋转360°后,是可以与自己相重合的,也就是说,旋转360度后,只与相同的部分重合了一次,这类对称轴为一次对称轴,为L1,无论晶体的的形态如何,总会存在一个L1,不要忽略该类对称轴。

3、对称面——面,用英文字母P表示:

对称面是一个假象的平面,亦称镜面,相应的对称操作为对此平面的反映,将图形评分为互为镜像的两个部分。

注:

(1)对称面是假想的平面,不是真实存在的。

(2)对应的操作为反映操作

(3)镜面将图形平分成两个部分,这两个部分互为镜像,并且完全相等。

(4)并不是所有的晶体都有对称面。下图中的立方体中存在九个对称面,但是右图中的斜方四面体则不存在对称面。


好了,关于晶体的对称要素,就讲到这里,如果有任何问题,欢迎私信、留言或关注。

扩展阅读:

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