對稱性與群論

對稱元素(symmetry element)

把一個水分子湊到一面豎立的鏡子前,鏡面正好穿過氧原子,你會發現鏡中的像和原物一模一樣——根本分不出哪個是哪個。這面鏡子就是一個對稱元素:一個幾何要素(一個點、一條線或一個平面),你可以圍繞它移動分子,而分子又恰好落回原樣。雪花、海星、一個畫得規整的字母 H,都有這樣的要素;分子也有,無機化學家更是用它們造出了一整套語言。

描述分子用到的對稱元素一共五種:恆等(E,什麼都不做)、真旋轉軸(Cn,讓分子繞著轉的一條線)、鏡面(sigma,用來作反射的一個平面)、對稱中心(i,讓每個原子穿過它跑到對面的一個點)、以及非真旋轉軸(Sn,先旋轉再反射)。每種元素都是一塊固定不動的幾何構件;它是搭建實際操作的骨架。

一定要把元素和它允許的操作分清楚,因為兩者很容易混淆,而這個區別貫穿後面的一切。對稱元素是幾何對象本身——那條軸、那個平面、那個點;你藉助它所做的動作(旋轉、反射)才是對稱操作。一個元素可以衍生出好幾個操作:一條三重軸可以讓你轉 120 度、轉 240 度、以及(平凡地)轉 360 度,所以一條線能生出不止一個動作。

氨(NH3)有一條穿過氮原子的三重旋轉軸(C3)、三個鏡面(每個都含氮和一個氫)、以及恆等(E)。這些幾何要素就是它的對稱元素。

氨的對稱元素:一條 C3 軸、三個鏡面、以及 E。

元素與操作是初學者最常見的混淆:元素是不動的幾何對象,操作是藉助它移動分子的那個動作。兩者數法不同,用法也不同。

又稱
symmetry feature对称要素對稱要素