分子对称性与群论基础.ppt
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1、2023/9/23,第6章 分子对称性与群论基础,6.1 矩阵6.2 对称操作与对称元素6.3 对称操作的矩阵表示6.4 群的定义与性质6.5 分子点群6.6 群表示理论6.7 群论应用简介,2023/9/23,6.1 矩 阵,1 矩阵的定义 矩阵:由mn个数按一定次序排列成m行n列的表:,称为第i行第j列的矩阵元当m=n时,称为n阶方阵行矩阵:仅由一行元素构成的矩阵列矩阵:仅由一行元素构成的矩阵,2023/9/23,6.1 矩 阵,2 矩阵的运算规则,两个矩阵相等:若矩阵A=B,则要求它们的所有矩阵元相等,即:Aij=Bij i=1,2,3,;j=1,2,3,(2)矩阵的加(减):若两矩阵A
2、、B 的行数与列数分别相等,则它们可相加(减)而乘另一个矩阵C,规则:Cij=AijBij i=1,2,3,;j=1,2,3,矩阵的加(减)满足交换律、结合律:AB=B A;AB C=(A B)C,2023/9/23,6.1 矩 阵,(3)数与矩阵相乘 若 kA=C,则:Cij=kAij 例如:,(4)矩阵和矩阵的乘法,nm mk nk,2023/9/23,6.1 矩 阵,其中:,注意只有前一矩阵的列数与后一矩阵的行数相等时才能相乘。,2023/9/23,6.1 矩 阵,矩阵的乘法一般不满足交换律,但满足结合律。即:ABBA,ABC=(AB)C=A(BC)(5)转置矩阵 若A=Aij,AT=A
3、ji 共轭转置矩阵 若A=Aij,AH=A*ji,(6)零矩阵:全部的矩阵元为0的矩阵 单位矩阵:对角元素均为1,其余元素均为0的矩阵,2023/9/23,6.1 矩 阵,(7)逆矩阵 若一个矩阵左乘矩阵A及右乘矩阵A均得到单位矩阵E,则称这个矩阵为A的逆矩阵,用A-1表示.即 A-1 A=A A-1=E(8)相似矩阵 若矩阵A,B和C之间存在关系 B=CA C-1 则称矩阵B与矩阵A相似.通过这样的关系把矩阵A变为矩阵B的变换称为相似变换.(9)矩阵的迹 一个矩阵所有对角元素之和称为这个矩阵的迹,用tr表示.,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,1.几何意义 分子的几何构型可用对
4、称图形来表示。能使一个图形复原的操作称为对称操作,全部对称操作的集合构成一个“群”。不改变图形中任何两点的距离而能使图形复原.对称元素 对称操作的实现必须借助于一定的几何实体,如三重轴、映面等,称为对称元素。对称元素与对称操作总是互相依存,但并非一一对应。,对称元素:旋转轴,对称操作:旋转,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,实例 氨分子的几何构型与对称性 分子呈正三角锥形,N原子位于锥顶。对称特点:1个三重对称轴通过锥顶且垂直于底面 3个对称面(映面)分别通过三重轴及1个N-H键共有6个对称操作:绕三重轴旋转120及240;通过3个映面的反映;恒等操作 在进行对称操作时,分子中至
5、少有1点是不动的,同时这种对称操作不改变分子中任意两点之间的距离,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,NH3分子的对称操作,2 对称操作的分类 统一分类并用标准符号表示之,其中的映面、象转及反演操作能把右手变为左手,称为“非真的”或虚操作。,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,(1)旋转轴与旋转操作 分子中若存在一条轴线,绕此轴旋转一定角度能使分子复原,就称此轴为旋转轴,符号为Cn.旋转可以实际进行,为真操作;相应地,旋转轴也称为真轴.,H2O2中的C2,(旋转轴上的椭圆形为C2的图形符号。类似地,正三角形、正方形、正六边
6、形分别是C3、C4和C6的图形符号),2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,2)镜面与反映操作,分子中若存在一个平面,将分子两半部互相反映而能使分子复原,则该平面就是镜面,这种操作就是反映.,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,试找出分子中的镜面,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,分子中若存在一点,将每个原子通过这一点引连线并延长到反方向等距离处而使分子复原,这一点就是对称中心i,这种操作就是反演.,(3)对称中心与反演操作,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,旋转反映或旋转反演都是复合操作,相应的对称元素分别称为映轴Sn和反轴In.旋转反映(或
7、旋转反演)的两步操作顺序可以反过来.这两种复合操作都包含虚操作.相应地,Sn和In都是虚轴.对于Sn,若n等于奇数,则Cn和与之垂直的都独立存在;若n等于偶数,则有Cn/2与Sn共轴,但Cn和与之垂直的并不一定独立存在.试观察以下分子模型并比较:,(4)映轴与旋转反映操作 反轴与旋转反演操作,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,(1)重叠型二茂铁具有S5,所以,C5和与之垂直的也都独立存在,(2)甲烷具有S4,所以,只有C2与S4共轴,但C4和与之垂直的并不独立存在.,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,甲烷中的映轴S4与旋转反映操作,注意:C4和与之垂直的都不独立存在
8、,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,环辛四烯衍生物中的 S4,分子中心是S4的图形符号,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,旋转是真操作,其它对称操作为虚操作.,例如,先作二重旋转,再对垂直于该轴的镜面作反映,等于对轴与镜面的交点作反演.,两个或多个对称操作的结果,等效于某个对称操作.,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,3.对称操作的“乘法”NH3分子的全部对称操作可记为:,连续的对称操作的总结果等价于另一单个操作的效果,适合于“乘法”表示之,例如:,对称操作的连续使用一般与次序有关,如 即对应的“乘法”是不可交换的。重排定理:在乘法表中的每一行或每一列
9、元素出现1次且只能出现1次。,2023/9/23,6.2 对称操作与对称元素,NH3(C3V)对称操作乘法表,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,1.矩阵表示任何一个对称操作都可以用矩阵来表示。选定一个函数向量,它以一组函数为分量,经对称操作作用后,由各分量的变换性质来确定其对应矩阵的形式,考虑:直角坐标系空间向量变换,对称操作为A(x,y,z)-(x,y,z)两组坐标存在如下的变换关系:,矩阵形式为:,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,现对氨分子的对称操作做说明。(1)恒等操作 对向量不产生任何影响,对应于单位矩阵,(2)旋转操作 n旋转轴可衍生出n-1个旋转操作,
10、记为,存在关系:满足可交换性与循环(周期)性,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,将z轴选定为旋转轴,向量的z分量不受影响.考虑(x,y)变化,绕主轴旋转操作示意图,矩阵的一般表示:,向量(x,y)的极角向量(x,y)的极角,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,对于氨分子,n=3,旋转角为120,(3)平面反映 共有3种反映操作,即当主轴为z轴时,v不改变向量的z分量.设反映面的极角为,对于二维向量作用后各相关的极角如图所示.,v对向量的作用,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,变换关系:,相应的矩阵表示:,应用于氨分子,设v与yz平面重合,则极角a=/2,
11、的极角分别30为和150,相应的矩阵表示依次为:,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,垂直于主轴h的反映面操作,使z改变符号,而x,y分量不变,对于d的反映面操作,因其也包含主轴,矩阵表示的一般形式同于,而具体形式取决于它的极角.,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,(4)象转操作 系符合操作,由绕主轴的旋转和h组合而成,即:,相应的矩阵表示为:,(5)反演 使各分量都改变符号,即,2023/9/23,6.3 对称操作的矩阵表示,(6)C2 其旋转垂直于主轴,设旋转轴的极角为,则:,该操作也可看成极角为的v映面操作与对称操作h的乘积:C2=h v()除了上面的6类对称操
12、作外,还有其它一些操作,如旋转轴不为主轴的C3旋转操作,不包含主轴的映面操作等。相应的表示矩阵要复杂些,但都可以表示成几个简单操作的乘积。,2023/9/23,6.4 群的定义与性质,1.群的定义 由有限个或无限个元素组成的一个集合G,若满足下列4个性质,则称G为群。(1)封闭性 群中任意两个元素的乘积必为群中的一个元素,即:若 AG,B G,则AB=C G(2)结合律:三个群元素相乘有 A(BC)=(AB)C(3)恒等元素 群中必有一个恒等元素,它与群中任一元素相乘,使该元素不变。即 IA=AI=A(4)逆元素 每个群必有一个逆元素,它也是群元素,即 AG,A-1 G 且A A-1=A-1
13、A=1,2023/9/23,6.4 群的定义与性质,举例(1)由0和所有的正、负整数的集合,对于数的加法,构成一个群。其中0为恒等元,正数n的逆元是-n。(2)所有大于0的实数,对于普通的乘法,构成一贯群。其中恒等元是1,逆元是其倒数。(3)NH3分子的所有对称操作的集合,构成一个群,即C3v群,其乘法表前已述及。(4)下列四个矩阵构成一个群。其中第一个矩阵为恒等元,每个矩阵的逆元就是它本身。,2023/9/23,6.4 群的定义与性质,有关名字与概念群的阶:指一个群中元素的个数,用h表示。有限群与无限群:指阶为有限和无限的群。Abel群:指群中任意两元素的乘法可以交换的群,即:AB=BA,且
14、 A,B G子群:指群中的一部分元素的集合也满足群的四个条件,从而构成一个群,称之为前一个群的子群。例NH3分子,属C3v群,由六个元素构成:,包含一个3阶子群:3个2阶子群:,2023/9/23,6.4 群的定义与性质,恒等元素I总是单独地构成一个1阶子群;群的阶数总能被其子群的阶数整除;群G本身也可以认为是G的子群。,群元素的乘积可排列成一个方格表,称为群的乘法表.每一行都是另一行的重排,每一列也是如此,此即重排定理.,2.群的乘法表,2023/9/23,6.4 群的定义与性质,3 共轭类共轭元素 若存在群元素R(RI)使群元素A与B满足关系:R-1AR=B 或 A=RBR-1 则称是借助
15、于所得到的相似变换,与共轭.并称A与B 属于同一共轭类,简称共轭元素.共轭类 在一个群中,相互共轭的元素的一个完整集合称为一个共轭类,或简称类.,2023/9/23,6.4 群的定义与性质,划分方法 对于群中一个元素A,做R-1AR,当遍及群中所有元素时,即可得出与A同为一类的所有元素.例如,根据NH3的C3v群之乘法表,可以得到。,因此,C3v群中的6个元素可划分成三类:,2023/9/23,6.5 分子点群,对于分子而言,它的各个对称操作构成一个群,由于这些对称操作至少保持分子的一点不动,因此称为点群.1.点群分类 下面的分类采用Schonflies符号.,2023/9/23,6.5 分子
16、点群,2023/9/23,6.5 分子点群,含有多高次轴的对称元素组合所得的对称元素系与正多面体的对称性相对应.群有T群,O群及I群等.,2023/9/23,6.5 分子点群,2023/9/23,6.5 分子点群,2023/9/23,6.5 分子点群,对于上面的分子点群分类,可以归为四类:(1)单轴群:包括Cn、Cnh、Cnv(共同特点是旋转轴只有一条)(2)双面群:包括Dn、Dnh、Dnd(共同特点是旋转轴除了主轴Cn外,还有与之垂直的n条C2副轴.)(3)立方群:包括Td、Th、Oh、Ih(共同特点是有多条高次(大于二次)旋转轴相交)(4)非真旋轴群:包括Cs、Ci、S4等.(共同特点是只
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- 分子 对称性 群论 基础
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