結晶系

ダイヤモンドの結晶構造は、2 つの原子のパターンが繰り返される面心立方格子に属します。

結晶学において結晶系とは点群(少なくとも1つの固定点を持つ幾何学的対称性の集合)の集合です。格子系とはブラヴェ格子(離散点の無限配列)の集合です。空間群(空間配置の対称群)は、点群に基づいて結晶系に分類され、ブラヴェ格子に基づいて格子系に分類されます。共通の格子系に割り当てられた空間群を持つ結晶系は、結晶族として統合されます。

結晶系は7つあり三斜晶系、単斜系、斜方晶系正方晶系三方晶系六方晶系、立方晶系です。一般的には、2つの結晶が類似した対称性を持つ場合、それらは同じ結晶系に属します(ただし、多くの例外があります)。

分類

結晶は、格子系、結晶系、結晶族の3つの方法に分類できます。これらの分類はしばしば混同され、特に三方晶系は菱面体格子系と混同されることが多く、「結晶系」という用語は「格子系」または「結晶族」の意味で使われることがあります。

格子システム

格子系とは、同じ格子群を持つ格子の集合である。14個のブラヴェ格子は、三斜晶系、単斜晶系、斜方晶系、正方晶系、菱面体晶系、六方晶系、立方晶系の7つの格子系に分類される。

結晶系

結晶系とは、点群の集合であり、点群自体とそれに対応する空間群が格子系に割り当てられます。三次元に存在する32の結晶学的点群のうち、ほとんどは1つの格子系にのみ割り当てられており、その場合、結晶系と格子系の両方に同じ名前が付けられます。しかし、5つの点群は、どちらも三回回転対称性を示す菱面体格子系と六方格子系の2つの格子系に割り当てられています。これらの点群は三方晶系に割り当てられます。

クリスタルファミリー

結晶族は格子点群によって決定されます。共通の格子系に割り当てられた空間群を持つ結晶系を組み合わせることで結晶族が形成されます。三次元では、六方晶系と三方晶系は一つの六方晶系に統合されます。

3回c軸対称六方晶ハンクサイト結晶

比較

5つの結晶系は、5つの格子系と本質的に同じです。六方晶系と三方晶系は、六方晶系と菱面体晶系の格子系とは異なります。これらは六方晶系ファミリーに統合されます。

3 次元結晶ファミリー、結晶系、格子系の関係は次の表に示されています。

クリスタルファミリー結晶系格子システム点群に必要な対称性点群空間群ブラヴェ格子
三斜晶系三斜晶系三斜晶系なし221
単斜晶系単斜晶系単斜晶系1つの二重回転軸または1つの鏡面3132
斜方晶系斜方晶系斜方晶系3つの二重回転軸、または1つの二重回転軸と2つの鏡面3594
正方晶正方晶正方晶1 4倍の回転軸7682
六角三角菱面体1 三倍回転軸571
六角1 三倍回転軸18
六角六角1 六倍の回転軸7271
キュービックキュービックキュービック4つの三重回転軸5363
677合計3223014
注:「三方格子」という格子体系は存在しません。用語の混乱を避けるため、「三方格子」という用語は使用しません。

クリスタルクラス

7 つの結晶系は、次の表に示すように、32 の結晶クラス (32 の結晶点群に対応) で構成されます。

クリスタルファミリー結晶系点群/ 結晶クラスシェーンフライスヘルマン・モーガンオービフォールドコクセター点対称性注文抽象グループ
三斜晶系ペダルC 1111[ ] +鏡像 極性1些細な
ピナコイドC i (S 2 )11倍[2,1 + ]中心対称2周期的な
単斜晶系蝶形骨C 2222[2,2] +鏡像 極性2周期的な
ドマティックC s (C 1h )メートル*11[ ]極性2周期的な
プリズマティックC 2時間2/m2*[2,2 + ]中心対称4クライン4
斜方晶系菱形二蝶形D 2 (V)222222[2,2] +鏡像異性体4クライン4
菱形ピラミッド形C 2vmm2*22[2]極性4クライン4
菱形双錐体D 2時間(V時間うーん*222[2,2]中心対称8
正方晶系四角錐C4444[4] +鏡像 極性4周期的な
正方二蝶形S442倍[2 + ,2]非中心対称4周期的な
正方双錐形C 4時間4/m4*[2,4 + ]中心対称8
正方台形D4422422[2,4] +鏡像異性体8二面角
二四角錐C 4v4mm*44[4]極性8二面角
正方晶系D 2d (V d )4 2mまたは4m22*2[2 + ,4]非中心対称8二面角
二正方双錐体D 4時間4/mmm*422[2,4]中心対称16
六角三角三角錐C 3333[3] +鏡像 極性3周期的な
菱面体C 3i (S 6 )33倍[2 +、3 + ]中心対称6周期的な
三角台形D332または321または312322[3,2] +鏡像異性体6二面角
二角錐C 3v3mまたは3m1または31m*33[3]極性6二面角
二三角尺三面体D 3d3 mまたは3 m1または3 1m2*3[2 + ,6]中心対称12二面角
六角六角錐形C6666[6] +鏡像 極性6周期的な
三角双錐形C 3時間63*[2,3 + ]非中心対称6周期的な
六角形双錐形C 6時間6/月6*[2,6 + ]中心対称12
六角台形D6622622[2,6] +鏡像異性体12二面角
六角錐C 6V6mm*66[6]極性12二面角
二三角双錐形D 3時間6平方メートルまたは6平方メートル*322[2,3]非中心対称12二面角
二六角形-二錐形D 6時間6/mmm*622[2,6]中心対称24
キュービック四肢麻痺T23332[3,3] +鏡像異性体12交互
二倍体T hメートル33*2[3 + ,4]中心対称24
回転体432432[4,3] +鏡像異性体24対称的な
六面体T d4 3m*332[3,3]非中心対称24対称的な
六八面体おおメートル3メートル*432[4,3]中心対称48

構造の点対称性は、さらに次のように説明できます。構造を構成する点をすべて 1 点に反射させて、( x , y , z ) を (− x ,− y ,− z ) にします。これが「反転構造」です。元の構造と反転構造が同一であれば、その構造は中心対称です。そうでない場合は非中心対称です。ただし、非中心対称の場合でも、反転構造を回転させて元の構造と揃うようにできる場合があります。これが非中心対称なアキラル構造です。反転構造を回転させても元の構造と揃わない場合、その構造はキラルまたはエナンチオモルフィックであり、その対称群はエナンチオモルフィックです。[1]

方向(矢印のない線)は、その2つの方向が幾何学的または物理的に異なる場合、極性と呼ばれます。極性のある結晶の対称方向は、極性軸と呼ばれます。[2]極性軸を含むグループは極性と呼ばれます。極性結晶は、固有の極性軸を持ちます(より正確には、すべての極性軸が平行です)。この軸の両端では、いくつかの幾何学的または物理的特性が異なります。たとえば、焦電結晶のように誘電分極が発生する可能性があります。極性軸は、中心対称でない構造でのみ発生します。極性軸に垂直な鏡面または二重軸は存在できません。これらがあると、軸の2つの方向が同等になってしまうためです。

キラルな生物学的分子の結晶構造(タンパク質構造など)は、65 個のエナンチオモルフィック空間群でのみ発生します(生物学的分子は通常キラルです)。

ブラヴェ格子

格子系には7種類あり、それぞれの格子系には4種類の中心化(原始格子、底心格子、体心格子、面心格子)があります。しかし、すべての組み合わせが一意であるわけではありません。いくつかの組み合わせは等価ですが、対称性の問題により不可能な組み合わせもあります。そのため、一意な格子の数は14種類のブラヴェ格子に絞り込まれます。

14 個のブラヴェ格子を 7 つの格子系に分配したものが次の表に示されています。

クリスタルファミリー格子システム点群
(シェーンフライス記法)
14 ブラヴェ格子
プリミティブ(P)底辺中心(S)身体中心(I)面心(F)
三斜晶系(a)C i三斜晶系

ap

単斜晶系(m)C 2時間単斜晶系、単純

mP

単斜晶系、中心

MS

斜方晶系(o)D 2時間斜方晶系、単純

oP

斜方晶系、底心立方

oS

直方体、体心立方

oI

斜方晶系、面心

正方晶(t)D 4時間正方晶系、単純

tP

正方晶系、体心

六角形(h)菱面体D 3d菱面体

hR

六角D 6時間六角

hP

立方体(c)おお立方体、シンプル

cP

立方体、体心立方体

cI

立方体、面心

cF

幾何学および結晶学においてブラヴェ格子は3 方向の並進 対称群(格子とも呼ばれる)のカテゴリです。

このような対称群は、次のような形のベクトルによる並進運動から構成される。

R = n 1 a 1 + n 2 a 2 + n 3 a 3

ここで、 n 1n 2n 3は整数でありa 1a 2a 3は、原始ベクトルと呼ばれる 3 つの非共面ベクトルです

これらの格子は、格子自体の空間群によって分類されます 。空間群は点の集合体として捉えられ、3次元には14個のブラヴェ格子が存在し、それぞれが1つの格子系にのみ属します。ブラヴェ格子は[説明が必要]、与えられた並進対称性を持つ構造が持ち得る最大の対称性を表します。

すべての結晶性物質(準結晶を除く)は、定義により、これらの配置のいずれかに適合する必要があります。

便宜上、ブラヴェ格子は基本格子よりも1、2、3、または4倍大きい単位格子で表されます。結晶やその他のパタ​​ーンの対称性に応じて、基本領域はさらに小さくなり、最大で48倍になります。

ブラヴェ格子は1842年にモーリッツ・ルートヴィヒ・フランケンハイムによって研究され、15種類のブラヴェ格子が存在することが発見されました。これは1848年にA.ブラヴェによって14種類に訂正されました。

他の次元では

二次元空間

二次元空間には、4つの結晶系(斜方、長方形、正方形、六角形)、4つの結晶族(斜方、長方形、正方形、六角形)、4つの格子系(斜方長方形正方形六角形)がある。[3] [4]

クリスタルファミリー結晶系結晶学的点群平面グループの数ブラヴェ格子
斜方晶系(単斜晶系)斜め1、22mp
長方形(斜方晶系)長方形メートル、2ミリメートル7opoc
正方形(四角形)四角4、4ミリメートル3tp
六角六角3、6、3メートル 6ミリメートル5馬力
合計410175

4次元空間

4次元単位胞は、4つの辺の長さ(abcd)と6つの軸間角(αβγδεζ)によって定義されます。格子定数に関する以下の条件は、23の結晶族を定義します。

4次元空間における結晶ファミリー
いいえ。家族エッジの長さ軸間角度
1ヘキサクリニックabcdαβγδεζ ≠ 90°
2三斜晶系abcdαβγ ≠ 90°
δ = ε = ζ = 90°
3ディクリニックabcdα ≠ 90°
β = γ = δ = ε = 90°
ζ ≠ 90°
4単斜晶系abcdα ≠ 90°
β = γ = δ = ε = ζ = 90°
5直交abcdα = β = γ = δ = ε = ζ = 90°
6正方晶単斜晶系ab = cdα ≠ 90°
β = γ = δ = ε = ζ = 90°
7六方晶系単斜晶系ab = cdα ≠ 90°
β = γ = δ = ε = 90°
ζ = 120°
8二斜晶系a = db = cα = ζ = 90°
β = ε ≠ 90°
γ ≠ 90°
δ = 180° − γ
9二方晶(二六方晶)二斜晶a = db = cα = ζ = 120°
β = ε ≠ 90°
γδ ≠ 90°
cos δ = cos β − cos γ
10正方直交ab = cdα = β = γ = δ = ε = ζ = 90°
11六角形直交ab = cdα = β = γ = δ = ε = 90°、ζ = 120°
12二方晶系単斜晶系a = db = cα = γ = δ = ζ = 90°
β = ε ≠ 90°
13二方晶(二六方晶)単斜晶a = db = cα = ζ = 120°
β = ε ≠ 90°
γ = δ ≠ 90°
cos γ = − 1/2 cos β
14直角二方正四角形a = db = cα = β = γ = δ = ε = ζ = 90°
15六角形 四角形a = db = cα = β = γ = δ = ε = 90°
ζ = 120°
16二六角形直交a = db = cα = ζ = 120°
β = γ = δ = ε = 90°
173次直交a = b = cdα = β = γ = δ = ε = ζ = 90°
18八角形a = b = c = dα = γ = ζ ≠ 90°
β = ε = 90°
δ = 180° − α
19十角形a = b = c = dα = γ = ζβ = δ = ε
cos β = − 1/2cosα
20十二角形a = b = c = dα = ζ = 90°
β = ε = 120°
γ = δ ≠ 90°
21二等六角形直交a = b = c = dα = ζ = 120°
β = γ = δ = ε = 90°
22二十面体a = b = c = dα = β = γ = δ = ε = ζ
cos α = − 1/4
23超立方体a = b = c = dα = β = γ = δ = ε = ζ = 90°

ここでの名称はWhittaker [5]に従って与えられている。結晶ファミリー9、13、および22の名称を除いて、 Brownら[6]とほぼ同じである。Brownによるこれら3つのファミリーの名称は括弧内に示されている。

4次元結晶族、結晶系、格子系の関係を以下の表に示す。[5] [6]鏡像系にはアスタリスクが付されている。鏡像対の数は括弧内に示されている。ここでの「鏡像」という用語は、3次元結晶クラスの表における意味とは異なる。後者は、鏡像点群がキラル(鏡像)構造を記述することを意味する。この表において「鏡像」とは、群自体(幾何学的オブジェクトとして捉えた場合)が鏡像であることを意味する。これは、3次元空間群P3 1とP3 2、P4 1 22 とP4 3 22 の鏡像対のようにである。4次元空間を起点として、点群もこの意味で鏡像となり得る。

4次元空間における結晶系

結晶族の数
クリスタルファミリー結晶系格子システム
結晶系の数
点群空間群ブラヴェ格子
ヘキサクリニックヘキサクリニックP1221
II三斜晶系三斜晶系P、S23132
3ディクリニック二クリニックP、S、D32123
IV単斜晶系単斜晶系 P、S、S、I、D、F442076
V直交非軸直交直交KU5221
直交P、S、I、Z、D、F、G、U1128
軸直交63887
6正方晶単斜晶系正方晶単斜晶系 P、I77882
7章六方晶系単斜晶系三方単斜晶系六方晶系単斜晶系R8591
六方晶系単斜晶系P151
六方晶系単斜晶系9725
8章二斜晶系*二方晶系二斜晶系P*101 (+1)1 (+1)1 (+1)
9二斜晶系*二斜晶系二三方晶系P*112 (+2)2 (+2)1 (+1)
X正方直交逆正方直交正方直交KG12571
正方直交P、S、I、Z、G3515
真正四方直交13101312
XI六角形直交三角直交六角形直交R、RS1410812
六角形直交P、S1502
六角形直交1512240
12二方晶系単斜晶系*二方晶系単斜晶系 P*、S*、D*161 (+1)6 (+6)3 (+3)
13二方晶系単斜晶系*二方晶系単斜晶系 P*, RR*172 (+2)5 (+5)2 (+2)
14直角二方正四角形隠蔽二方正方直交四方直交二面体D185101
四方正方直交P、Z165 (+2)2
直角二方正四角形196127
15六角形 四角形六方晶系正方晶系P20221081
16二六角形直交隠蔽二角形直交*二六角形直交G*214 (+4)5 (+5)1 (+1)
二六角形直交P5 (+5)1
二六角形直交231120
二三角直交221141
二六角形直交RR161
173次直交単純三次直交行列立方直交KU24591
3次直交座標P、I、Z、F、U965
複素三次直交行列2511366
18世紀八角形*八角形P*262 (+2)3 (+3)1 (+1)
19十角形十角形P27451
XX十二角形*十二角形P*282 (+2)2 (+2)1 (+1)
21二等六角形直交単純な二等六角形直交二等六角形直交RR299 (+2)19 (+5)1
二等六角形直交P19 (+3)1
複素二等六角形直交3013 (+8)15 (+9)
XXII正二十角形正二十角形P、SN317202
XXIII超立方体八角形超立方体超立方P3221 (+8)73 (+15)1
超立方Z107 (+28)1
十二角形超立方体3316 (+12)25 (+20)
合計23 (+6)33 (+7)33 (+7)227 (+44)4783 (+111)64 (+10)

参照

参考文献

  1. ^ Flack, Howard D. (2003). 「キラルおよびアキラル結晶構造」. Helvetica Chimica Acta . 86 (4): 905– 921. CiteSeerX  10.1.1.537.266 . doi :10.1002/hlca.200390109.
  2. ^ ハーン2002年、804頁。
  3. ^ ジャコヴァッツォ、カルメロ(2011年2月10日)『結晶学の基礎』(第3版)オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-957366-0
  4. ^ Hahn, Theo (2005).国際結晶学表A巻:空間群対称性(第5版). 表2.1.2.1: Springer.{{cite book}}: CS1 maint: location (link)
  5. ^ ab Whittaker, EJW (1985). 『4次元結晶クラスのハイパーステレオグラム・アトラス』オックスフォードクラレンドン・プレス. ISBN 978-0-19-854432-6. OCLC  638900498。
  6. ^ ab Brown, H.; Bülow, R.; Neubüser, J.; Wondratschek, H.; Zassenhaus, H. (1978). 『四次元空間の結晶学群ニューヨーク: Wiley . ISBN 978-0-471-03095-9. OCLC  939898594.

引用文献

  • Hahn, Theo編 (2002). 国際結晶学表 A巻:空間群対称性. A巻(第5版). ベルリン、ニューヨーク: Springer-Verlag . doi :10.1107/97809553602060000100. ISBN 978-0-7923-6590-7
  • 32グループの概要
  • 鉱物ギャラリー – 対称性
  • すべての立方晶系クラス、形状、および立体投影(インタラクティブ Java アプレット)
  • オンライン結晶学辞典の結晶系
  • オンライン結晶学辞典の結晶族
  • オンライン結晶学辞典の格子系
  • VASP入力ファイルにおけるプリミティブから標準の慣例への変換 Archived 2021-11-26 at the Wayback Machine
  • 結晶学を学ぶ
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