对称性与群论
对称操作(symmetry operation)
假设趁你转过身去,有人把一个分子旋转了一下,然后问你有没有什么变化。如果转完后分子看上去毫无二致——原子一一对应,与之前无从分辨——那么他做的这次旋转就是一个对称操作。它是把分子映回自身的一个动作:每个原子都落到某个相同原子原先所在的位置,因此任何测量都无法察觉这个动作发生过。
每个对称操作都是借助某个对称元素来完成的。绕 Cn 轴转 360/n 度是一个操作;穿过镜面作反射是一个操作;让每个原子穿过中心 i 反演是一个操作;什么都不做(恒等 E)在形式上也是一个操作。非真操作 Sn 的意思是:先旋转,再穿过与该轴垂直的平面作反射,合成一个动作。操作可以一个接一个地连续做,而任意两个操作依次做出的结果,总等价于同一集合里的某一个操作——正是这种封闭性使这个集合成为一个数学群。
为什么要给这些动作命名?因为一个分子所允许的全部操作清单就是它的指纹。这份清单(即点群)决定了哪些振动出现在红外光谱、哪些出现在拉曼光谱,决定了分子能否手性、能否带偶极矩,也决定了它的原子轨道被允许如何组合成键。这份对称操作目录绝非抽象的几何,而是支撑大量无机成键理论与光谱学的实用引擎。
对于水,操作有:E(什么都不做)、C2(绕平分 H-O-H 夹角的轴转 180 度)、以及两个反射(一个在分子平面内,一个与之垂直)。做其中任何一个,分子都与之前无从分辨。
水的四个对称操作:E、C2、以及两个反射。
一个分子的全部对称操作构成一个数学群(满足封闭性、含恒等元 E、每个操作都有逆操作)——这正是这门学问被称作"群论"的原因。
又称
另见