對稱性與群論
對稱操作(symmetry operation)
假設趁你轉過身去,有人把一個分子旋轉了一下,然後問你有沒有什麼變化。如果轉完後分子看上去毫無二致——原子一一對應,與之前無從分辨——那麼他做的這次旋轉就是一個對稱操作。它是把分子映回自身的一個動作:每個原子都落到某個相同原子原先所在的位置,因此任何測量都無法察覺這個動作發生過。
每個對稱操作都是藉助某個對稱元素來完成的。繞 Cn 軸轉 360/n 度是一個操作;穿過鏡面作反射是一個操作;讓每個原子穿過中心 i 反演是一個操作;什麼都不做(恆等 E)在形式上也是一個操作。非真操作 Sn 的意思是:先旋轉,再穿過與該軸垂直的平面作反射,合成一個動作。操作可以一個接一個地連續做,而任意兩個操作依次做出的結果,總等價於同一集合裡的某一個操作——正是這種封閉性使這個集合成為一個數學群。
為什麼要給這些動作命名?因為一個分子所允許的全部操作清單就是它的指紋。這份清單(即點群)決定了哪些振動出現在紅外光譜、哪些出現在拉曼光譜,決定了分子能否手性、能否帶偶極矩,也決定了它的原子軌道被允許如何組合成鍵。這份對稱操作目錄絕非抽象的幾何,而是支撐大量無機成鍵理論與光譜學的實用引擎。
對於水,操作有:E(什麼都不做)、C2(繞平分 H-O-H 夾角的軸轉 180 度)、以及兩個反射(一個在分子平面內,一個與之垂直)。做其中任何一個,分子都與之前無從分辨。
水的四個對稱操作:E、C2、以及兩個反射。
一個分子的全部對稱操作構成一個數學群(滿足封閉性、含恆等元 E、每個操作都有逆操作)——這正是這門學問被稱作「群論」的原因。
又稱
另見