Кіріспе
Математика, физика және химияда кеңістік тобы — кеңістікте, әдетте үш өлшемде қайталанып тұратын үлгінің симметрия тобы. Кеністік тобының элементтері (оның симметриялық амалдары) — үлгіні өзгеріссіз қалдыратын қатаң түрлендірулер. Үш өлшемде кеңістік топтары 219 түрлі типке бөлінеді, ал хиральды көшірмелер ерекше қарастырылса, 230 типке жетеді. Кеністік топтары — кез келген өлшемдегі бағытталған Евклид кеңістігінің изометрияларының дискретті кокомпакт топтары. 3-тен басқа өлшемдерде оларды кейде Бибербах топтары деп атайды. Кристаллографияда кеңістік топтары кристаллографиялық немесе Федоров топтары деп те аталады және олар кристаллдың симметриясын сипаттайды. Үш өлшемді кеңістік топтары туралы толық мәліметтерді Халықаралық кристаллография кестелерінен табуға болады.
In mathematics, physics and chemistry, a space group is the symmetry group of a repeating pattern in space, usually in three dimensions. The elements of a space group (its symmetry operations) are the rigid transformations of the pattern that leave it unchanged. In three dimensions, space groups are classified into 219 distinct types, or 230 types if chiral copies are considered distinct. Space groups are discrete cocompact groups of isometries of an oriented Euclidean space in any number of dimensions. In dimensions other than 3, they are sometimes called Bieberbach groups. In crystallography, space groups are also called the crystallographic or Fedorov groups, and represent a description of the symmetry of the crystal. A definitive source regarding 3 dimensional space groups is the International Tables for Crystallography .
Тарих
2 өлшемдегі кеңістік топтары – бұл бірнеше ғасырдан бері белгілі болған 17 қағаз өрнегі тобы, бірақ тізімнің толық екендігінің дәлелі 1891 жылы ғана берілді, кеңістік топтарының әлдеқайда күрделі жіктелуі көбінесе аяқталғаннан кейін. 1879 жылы неміс математигі Леонхард Зонке элементтері хиралдылықты сақтайтын 65 кеңістік тобын (Зонке топтары деп аталады) тізімдеді. Нақтырақ айтқанда, ол 66 топты тізімдеді, бірақ орыс математигі және кристаллографы Евграф Федоров пен неміс математигі Артур Мориц Шёнфлис екеуінің екі тобы бірдей екенін байқады. Үш өлшемдегі кеңістік топтарын алғаш рет 1891 жылы Федоров санады (оның тізімінде екі жіберіліп қалған топ (I3d және Fdd2) және бір қайталану (Fmm2) болды), ал көп ұзамай 1891 жылы Шёнфлис тәуелсіз түрде санады (оның тізімінде төрт жіберіліп қалған топ (I3d, Pc, Cc, ?) және бір қайталану (P21m) болды). 230 кеңістік тобының дұрыс тізімі 1892 жылы Федоров пен Шёнфлис арасындағы хат алмасу кезінде табылды. Кейіннен топтарды басқа әдіспен санады, бірақ төрт топты (Fdd2, I2d, P21d және P21c) жіберіп алды, тіпті Федоров пен Шёнфлиснен 230 топтың дұрыс тізімі болған күйінде; Барлоу олардың жұмысынан хабарсыз болған деген кең таралған пікір дұрыс емес. кеңістік топтарының ашылу тарихын егжей-тегжейлі сипаттайды.
Элементтер
Үш өлшемді кеңістіктік топтар 32 кристаллографиялық нүктелік топтардың 14 Брауэстің торларымен үйлесімде жасалады, олардың әрқайсысы 7 тор жүйесінің біріне жатады. Бұл, берілген кеңістіктік топтың кез келген элементерінің әсері тиісті нүктелік топтың элементерінің әсері арқылы, содан кейін қажет болған жағдайда аудармамен берілуі мүмкін дегенді білдіреді. Осылайша, кеңістіктік топ – бұл бірлік жасушаның трансляциялық симметриясының (тордың орталықталуын қоса), рефлексия, айналу және дұрыс емес айналу (сонымен қатар ротоинверсия деп те аталады) нүктелік топтық симметрия операциялары, сондай-ақ бұрандалы ось және жылғалаң жазықтық симметрия операцияларының комбинациясы. Бұл симметрия операцияларының барлығының үйлесуі барлық мүмкін кристалл симметрияларын сипаттайтын 230 түрлі кеңістіктік топтарға алып келеді. Бірлік жасушадағы асимметриялық бөліктің қайталану саны – жасушадағы тор нүктелерінің саны мен нүктелік топтың ретінің көбейтіндісіне тең. Бұл P1 кеңістіктік тобы үшін 1-ден бастап, Fmm сияқты, NaCl құрылымына ие кеңістіктік топ үшін 192-ге дейін өзгереді.
Нысанды бекітетін элементтер
Кеңістік топтың кеңістіктегі бір нүктені бекітетін элементтері – сәйкестік, шағылысулар, айналымдар және инверсиялық орталықты қоса, бұрылма айналымдар.
Аудармалар
Аудармалар 3-ші дәрежелі нормальді абельдік кіші топты құрайды, оны Бравайс торсы деп атайды (француз физигі Огюст Бравайс есімімен аталған). Бравайс торсының 14 мүмкін түрі бар. Кеністік тобының Бравайс торсына қатысты бөліндісі – 32 мүмкін нүктелік топтың бірі болып табылатын шекті топ.
Жылжымалы ұшақтар
Глайд жазықтығы – жазықтықтағы көлеңкелеу, одан кейін сол жазықтыққа параллель жылжу. Бұл , , немесе арқылы белгіленеді, глайдтың қай ось бойымен жүргеніне байланысты. Сондай-ақ, жақ диагоналінің жартысы бойынша глайд және жақ немесе элементар жасушаның кеңістіктік диагоналі бойынша глайд болады. Соңғысы алмаз құрылымында кездесетін болғандықтан, алмаз глайд жазықтығы деп аталады. 17 кеңістіктік топта, жасушаның центрленуіне байланысты, глайдтар бір мезгілде екі перпендикуляр бағытта пайда болады, яғни бір глайд жазықтығын b немесе c, a немесе b, a немесе c деп атауға болады. Мысалы, Abm2 тобы Acm2 деп те аталуы мүмкін, Ccca тобы Cccb деп аталуы мүмкін. 1992 жылы мұндай жазықтықтар үшін 'e' символын қолдану ұсынылды. Бес кеңістіктік топтың символдары өзгертілді:
Кеңістіктік топ № 39 41 64 67 68 Жаңа символ Aem2 Aea2 Cmce Cmme Ccce Ескі символ Abm2 Aba2 Cmca Cmma Ccca
Space group no. 39 41 64 67 68 New symbol Aem2 Aea2 Cmce Cmme Ccce Old Symbol Abm2 Aba2 Cmca Cmma Ccca
Шиналы балғалар
Бұрандалы ось – белгілі бір ось маңында айналу, одан кейін сол ось бағыты бойынша жылжу. Бұл операциялардың қайталану санымен, n арқылы көрсетіледі, онда сан толық айналу үшін қажетті операциялар санын білдіреді (мысалы, 3 саны – әр ретте осьтің үштен бір бөлігіне айналдыруды білдіреді). Жылжу мөлшері параллель тор векторының қандай үлесімен тең екенін көрсететін төменгі индекс түрінде қосылады. Мысалы, 21 – екі есе айналу, содан кейін тор векторының 1/2 бөлігіне жылжу.
Хиралдылық
65 "Сонкке" кеңістіктік тобында айналар, инверсия нүктелері, бұрылма айналымдар немесе жылжу жазықтықтары болмаса, өзінің көлеңкесімен сәйкес келмейтін хиральды кристалдар пайда болады; ал мұндай элементтердің кем дегенде біреуін қамтитын кеңістіктік топтар ахиральды кристалдарды тудырады. Ахиральды молекулалар кейде хиральды кристалдар құрайды, бірақ хиральды молекулалар әрқашан хиральды кристалдар құрайды, оған рұқсат беретін кеңістіктік топтардың біреуінде. 65 Сонкке тобының арасында 11 энантиоморфтық жұпты құрайтын 22 тобы бар.
Құрастыру
Ғарыш тобында симметрия элементтерінің белгілі бір комбинациялары ғана мүмкін. Аудармалар әрқашан кездеседі, ал P1 ғарыш тобында тек аудармалар мен сәйкестік элементі болады. Айналардың болуы соққылау жазықтықтарының болуын білдіреді, ал айналу осьтері бұрандалы осьтердің болуын білдіреді, бірақ керісіншесі дұрыс емес. Инверсия мен айна екі еселі бұрандалы осьтерді білдіреді, және т.б.
Бибербах теоремалары
n өлшемде аффиндік кеңістік тобы немесе Бибербах тобы — n өлшемді Евклид кеңістігінің компактты фундаменталды домені бар изометрияларының дискретті кіші тобы. Ол кез келген мұндай топтың аудармаларының кіші тобында n сызықтық тәуелсіз аударма бар екенін, және ол шекті индекске ие еркін абельдік кіші топ болып табылатынын, сондай-ақ ол бірегей максималды нормальді абельдік кіші топ екенін дәлелдеді. Ол сонымен қатар кез келген n өлшемде кеңістік тобының негізгі тобының изоморфизм класы үшін шектеулі мүмкіндіктер бар екенін көрсетті, және топтың Евклид кеңістігіндегі әрекеті аффиндік түрлендірулер арқылы конъюгацияға дейін бірегей. Бұл Хилберттің он сегізінші мәселесінің бір бөлігін шешеді. Ол керісінше, егер топ Zn-нің шекті топпен кеңейтілуі болса, онда ол аффиндік кеңістік тобы болады екенін көрсетті. Бұл нәтижелерді біріктіргенде, n өлшемде кеңістік топтарын аффиндік түрлендірулер арқылы конъюгацияға дейін жіктеу, Zn-нің кеңейтілулері болып табылатын топтардың изоморфизм кластарын жіктеумен бірдей екендігі көрінеді, мұнда кеңейтілген топ шекті топпен адал әрекет етеді. Бибербах теоремаларында топ изометрия ретінде әрекет ететінін ескеру маңызды; теоремалар Евклид кеңістігінің аффиндік түрлендірулерінің дискретті кокомпакт топтарына жалпыланбайды. 3 өлшемді Евклид кеңістігімен сәйкестендірілген, нақты сандардың Гейзенберг тобында аудармалар арқылы әрекет ететін бүтін сандардың 3 өлшемді Гейзенберг тобы кері мысал келтіреді. Бұл кеңістіктің аффиндік түрлендірулерінің дискретті кокомпакт тобы, бірақ ол Z3 кіші тобын қамтымайды.
Үш өлшемді кеңістіктік топтар кестесі
№ (ғарыш тобының нөмірі) Кристалл жүйесі, (саны), Бравайс торы Нүктелік топ Ғарыш топтары (халықаралық қысқа белгісі) Int'l Schön. Орбифолд Кокс. Орд. 1Триктлиндық(2) 1 C1 11[ ]+1 P1 2 Ci1×[2+,2+]2P 3–5Моноклиндық(13) 2 C2 22 [2]+ 2P2, P21C2 6–9 m Cs *11 [ ]2Pm, PcCm, Cc 10–15 2/m C2h 2* [2,2+]4P2/m, P21/mC2/m, P2/c, P21/cC2/c 16–24Орторомбтық(59) 222 D2 222 [2,2]+4P222, P2221, P21212, P212121, C2221, C222, F222, I222, I212121 25–46 mm2 C2v *22 [2]4Pmm2, Pmc21, Pcc2, Pma2, Pca21, Pnc2, Pmn21, Pba2, Pna21, Pnn2Cmm2, Cmc21, Ccc2, Amm2, Aem2, Ama2, Aea2Fmm2, Fdd2Imm2, Iba2, Ima2 47–74 mmm D2h *222 [2,2]8Pmmm, Pnnn, Pccm, Pban, Pmma, Pnna, Pmna, Pcca, Pbam, Pccn, Pbcm, Pnnm, Pmmn, Pbcn, Pbca, PnmaCmcm, Cmce, Cmmm, Cccm, Cmme, CcceFmmm, FdddImmm, Ibam, Ibca, Imma 75–80 Тетрагондық(68) 4 C4 44[4]+4P4, P41, P42, P43, I4, I41 81–82 S4 2×[2+,4+]4P, I 83–88 4/m C4h 4*[2,4+]8P4/m, P42/m, P4/n, P42/nI4/m, I41/a 89–98 422 D4 224[2,4]+8P422, P4212, P4122, P41212, P4222, P42212, P4322, P43212I422, I4122 99–110 4mm C4v*44[4]8P4mm, P4bm, P42cm, P42nm, P4cc, P4nc, P42mc, P42bcI4mm, I4cm, I41md, I41cd 111–122 2m D2d 2*2[2+,4]8P2m, P2c, P21m, P21c, Pm2, Pc2, Pb2, Pn2Im2, Ic2, I2m, I2d 123–142 4/mmm D4h*224[2,4]16P4/mmm, P4/mcc, P4/nbm, P4/nnc, P4/mbm, P4/mnc, P4/nmm, P4/ncc, P42/mmc, P42/mcm, P42/nbc, P42/nnm, P42/mbc, P42/mnm, P42/nmc, P42/ncmI4/mmm, I4/mcm, I41/amd, I41/acd 143–146Тригональдық(25) 3 C3 33[3]+3P3, P31, P32R3 147–148 S6 3×[2+,6+]6P, R 149–155 32 D3 223[2,3]+6P312, P321, P3112, P3121, P3212, P3221R32 156–161 3m C3v*33[3]6P3m1, P31m, P3c1, P31cR3m, R3c 162–167 m D3d 2*3[2+,6]12P1m, P1c, Pm1, Pc1Rm, Rc 168–173Гексагондық(27) 6 C6 66[6]+6P6, P61, P65, P62, P64, P63 174 C3h 3*[2,3+]6P 175–176 6/m C6h 6*[2,6+]12P6/m, P63/m 177–182 622 D6 226[2,6]+12P622, P6122, P6522, P6222, P6422, P6322 183–186 6mm C6v*66[6]12P6mm, P6cc, P63cm, P63mc 187–190 m2 D3h*223[2,3]12Pm2, Pc2, P2m, P2c 191–194 6/mmm D6h*226[2,6]24P6/mmm, P6/mcc, P63/mcm, P63/mmc 195–199Кубтық(36) 23 T3 32[3,3]+12P23, F23, I23P213, I213 200–206 m Th 3*2[3+,4]24Pm, Pn, Fm, Fd, Im, Pa, Ia 207–214 432 O4 32[3,4]+24P432, P4232F432, F4132I432P4332, P4132, I4132 215–220 3m Td *332[3,3]24P3m, F3m, I3mP3n, F3c, I3d 221–230 mm Oh *432[3,4]48Pmm, Pnn, Pmn, PnmFmm, Fmc, Fdm, FdcImm, Iad
Note: An e plane is a double glide plane, one having glides in two different directions. They are found in seven orthorhombic, five tetragonal and five cubic space groups, all with centered lattice. The use of the symbol e became official with
The lattice system can be found as follows. If the crystal system is not trigonal then the lattice system is of the same type. If the crystal system is trigonal, then the lattice system is hexagonal unless the space group is one of the seven in the rhombohedral lattice system consisting of the 7 trigonal space groups in the table above whose name begins with R. (The term rhombohedral system is also sometimes used as an alternative name for the whole trigonal system.) The hexagonal lattice system is larger than the hexagonal crystal system, and consists of the hexagonal crystal system together with the 18 groups of the trigonal crystal system other than the seven whose names begin with R.
The Bravais lattice of the space group is determined by the lattice system together with the initial letter of its name, which for the non rhombohedral groups is P, I, F, A or C, standing for the principal, body centered, face centered, A face centered or C face centered lattices. There are seven rhombohedral space groups, with initial letter R.