Raumgruppe

Raumgruppe

Spiegelsymmetrie in der Kristallstruktur von Eis

Eine kristallographische Raumgruppe oder kurz Raumgruppe beschreibt mathematisch die Symmetrie der Anordnung von Atomen, Ionen und Molekülen in einer Kristallstruktur. Der Begriff „Gruppe“ stammt aus der Gruppentheorie.

Beispielsweise kann ein Bestandteil (etwa ein Sulfat-Ion) der Struktur durch Spiegelung oder Drehung eines anderen Bestandteils (in diesem Falle eines anderen Sulfations) erhalten werden. Zur Beschreibung der kompletten Kristallstruktur ist dann nur die Beschreibung des ersten Ions notwendig, das zweite Ion wird durch die Symmetrieoperation der Spiegelung oder Drehung erhalten. Die Abbildung rechts zeigt das am Beispiel der Kristallstruktur von Eis. Der rechte Sechsring ist das Spiegelbild des linken Sechsrings; die Raumgruppe gibt (neben anderen) diese Symmetrieeigenschaft wieder. Die Symbole, die dafür verwendet werden, sind detailliert unter Hermann-Mauguin-Symbolik beschrieben.

Die Raumgruppe ist eine diskrete Untergruppe der euklidischen Bewegungsgruppe eines euklidischen (affinen) Raums mit beschränktem Fundamentalbereich. Die Raumgruppen gehören zu den Symmetriegruppen und werden üblicherweise mithilfe der Hermann-Mauguin-Symbolik oder manchmal auch in der Schoenflies-Symbolik beschrieben.[1]

Während sich die kristallographischen Punktgruppen aus nicht-translativen Symmetrieoperationen (z. B. Rotationen oder Spiegelungen) zusammensetzen, wird bei der Bestimmung der unterschiedlichen Raumgruppen diese Forderung aufgeweicht zugunsten translativer Symmetrieoperationen (daraus ergeben sich z. B. Gleitspiegelebenen und Schraubenachsen) und den Gittertranslationen. Daraus ergibt sich eine Vielzahl neuer Symmetriegruppen, die Raumgruppen.

Mathematische Definition

Die Isometriegruppe $ \operatorname{Isom}(\mathbb R^n) $ des $ n $-dimensionalen euklidischen Raumes $ \mathbb R^n $ ist die Gruppe

$ \operatorname{Isom}(\mathbb R^n)=O(n)\ltimes \mathbb R^n $,

wobei $ O(n) $ die orthogonale Gruppe, bestehend aus Spiegelungen und Drehungen um den Nullpunkt ist und $ \mathbb R^n $ als Gruppe der Verschiebungen des $ \mathbb R^n $ aufgefasst wird.

Eine kristallographische Gruppe vom Rang $ n $ ist eine diskrete und kokompakte Untergruppe von $ \operatorname{Isom}(\mathbb R^n) $. (Eine Untergruppe $ \Gamma\subset \operatorname{Isom}(\mathbb R^n) $ heißt diskret, wenn es zu keinem $ \gamma\in\Gamma $ eine Folge $ (\gamma_n)_n\subset \Gamma $ mit $ \gamma_n\not=\gamma $ und $ \lim_{n\rightarrow \infty}\gamma_n=\gamma $ gibt. Sie heißt kokompakt, wenn der Quotientenraum $ \Gamma\backslash\mathbb R^n $ kompakt ist.)

Eine Bieberbach-Gruppe ist eine torsionsfreie kristallographische Gruppe. (Eine Gruppe $ \Gamma $ mit neutralem Element $ e $ heißt torsionsfrei, wenn aus $ \gamma\not=e $ und $ n\not=0 $ stets $ \gamma^n\not=e $ folgt.)

Anzahl der möglichen Raumgruppen

Anzahl der Raumgruppen (ohne Berücksichtigung der Raumorientierung)
Dimension
1 2 3 4 5 6
2 17 219 4.783 222.018 28.927.915

Die Anzahl der möglichen Raumgruppen ist abhängig von der Dimension und der Orientierung des betrachteten Raums. Im dreidimensionalen Raum beschreiben kristallographische Raumgruppen die Symmetrien eines unendlich ausgedehnten Kristalls. Symmetrieoperationen in einem Kristall sind (abgesehen von der Identitätsoperation, die jeden Punkt auf sich selbst abbildet) Punktspiegelung, Spiegelung an einer Ebene, Drehung um eine Achse, Verschiebung (die sogenannte Translation) sowie Kombinationen dieser Operationen. Wenn man das Hintereinanderausführen von Symmetrieoperationen als multiplikative Verknüpfung auffasst, erkennt man, dass eine Menge von Symmetrieoperationen eine (in der Regel nicht kommutative) Gruppe ist.

Die Bestimmung der 230 möglichen Raumgruppen (bzw. Raumgruppentypen) in drei Dimensionen erfolgte 1891 unabhängig voneinander in mühsamer Sortierarbeit durch Arthur Moritz Schoenflies und Jewgraf Stepanowitsch Fjodorow. Unabhängig gelang dies auch William Barlow, der allerdings erst 1894 veröffentlichte. Die 230 Raumgruppen (und die Kristalle, die die Symmetrieelemente einer dieser Raumgruppen aufweisen) können u. a. hinsichtlich der sieben Kristallsysteme, der 14 Bravaisgitter und der 32 Kristallklassen eingeteilt werden.[1]

Bravaisgitter –
Basisobjekte mit sphärischer Symmetrie
Kristallstruktur –
Basisobjekte mit beliebiger Symmetrie
Anzahl der Punktgruppen 7 Kristallsysteme 32 kristallographische Punktgruppen
Anzahl der Raumgruppen 14 Bravaisgitter 230 Raumgruppen

Berücksichtigt man die Orientierung des Raums nicht, reduziert sich die Zahl auf 219 verschiedene Raumgruppen. Daraus ergibt sich die Existenz von elf Paaren enantiomorpher Raumgruppen. In diesen Paaren unterscheiden sich jeweils die Anordnungen der Symmetrieelemente wie Bild und Spiegelbild, die nicht durch Drehungen ineinander überführt werden können.[1]

Ein algebraisches Verfahren zur Klassifikation der Raumgruppen (auch in höheren Dimensionen) stammt von Johann Jakob Burckhardt in den 1930er-Jahren, der sich auch mit der Geschichte des Problems befasste.

Bezeichnung

Die Bezeichnung der Raumgruppen geschieht üblicherweise in der Hermann-Mauguin-Symbolik, in manchen Fachbereichen wird auch heute noch die Schoenflies-Symbolik als Alternative genutzt. Das Raumgruppensymbol besteht bei der Hermann-Mauguin-Symbolik aus einem Großbuchstaben, der den Bravaistyp angibt, sowie einer Folge von Symbolen (Zahlen und Kleinbuchstaben, die auf das Vorliegen weiterer Symmetrieelemente hinweisen), die sich eng an die Symbolik für Punktgruppen anlehnt, zusätzlich aber berücksichtigt, dass auch kombinierte Symmetrieoperationen aus Translation und Rotation bzw. Spiegelung vorliegen können.[1]

Eine vollständige Liste der 230 dreidimensionalen Raumgruppen ist in der Liste der Raumgruppen zu finden.

Siehe auch

Literatur

  • Johann Jakob Burckhardt: Die Bewegungsgruppen der Kristallographie. 2. Auflage, Springer, 1966, ISBN 978-3-0348-6931-7.
  • John Horton Conway, Olaf Delgado Friedrichs, Daniel Huson, William Thurston: On three dimensional space groups. In: Contributions to Algebra and Geometry. 42, 2001, S. 475–507. (Online).
  • Hans Zassenhaus: Über einen Algorithmus zur Bestimmung der Raumgruppen. In: Comm. Math. Helveticae. 21, 1948, S. 117–141. (Online).
  • Harold Brown, J. Neubüser, Hans Wondratschek, R. Bülow, Hans Zassenhaus: Crystallographic groups of four-dimensional space. Wiley 1978, ISBN 978-0-471-03095-9.
  • Joachim Neubüser, Hans Wondratschek, Rolf Bülow: On crystallography in higher dimensions. (Teil 1–3) In: Acta Crystallographica A. Band 27, 1971, S. 517–535 (speziell 4 Dimensionen).
    • J. Neubüser, H. Wondratschek, R. Bülow: On crystallography in higher dimensions. I. General definitions. In: Acta Crystallographica Section A. Band 27, Nr. 6, 1. November 1971, S. 517–520, doi:10.1107/S0567739471001165.
    • R. Bülow, J. Neubüser, H. Wondratschek: On crystallography in higher dimensions. II. Procedure of computation in R 4. In: Acta Crystallographica Section A. Band 27, Nr. 6, 1. November 1971, S. 520–523, doi:10.1107/S0567739471001177.
    • H. Wondratschek, R. Bülow, J. Neubüser: On crystallography in higher dimensions. III. Results in R 4. In: Acta Crystallographica Section A. Band 27, Nr. 6, 1. November 1971, S. 523–535, doi:10.1107/S0567739471001189.
  • Harold Brown: An algorithm for the determination of space groups. In: Mathematics of Computation. Band 23, 1969, S. 499–514. (PDF; 1,25 MB).

Weblinks

  • Interaktive Veranschaulichung der 17 Raumgruppen der Ebene:
    • Ornamente zeichnen, Java Applet und Application. Behält gezeichnete Linienzüge beim Wechsel der Gruppe bei.
    • Escher Web Sketch, Java Applet. Erlaubt neben dem Freihandzeichnen auch die Benutzung einzelner anderer Objekte.

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm: Einführung in die Kristallographie. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2010, ISBN 978-3-486-59075-3, S. 101 ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).

Diese Artikel könnten dir auch gefallen



Die letzten News


11.05.2021
Teleskop zur Erforschung von Objekten höchster Dichte im Universum
Eine internationale Gruppe von Astronomen hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen.
11.05.2021
Quantencomputing einfach erklärt
„Quantencomputing kompakt“ lautet der Titel eines aktuellen Buchs, das Bettina Just veröffentlicht hat. Die Mathematikerin und Informatikerin, die an der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) lehrt und forscht, behandelt darin ein Teilgebiet der Informationstechnik mit großem Entwicklungspotenzial.
11.05.2021
Auf dem Weg zum kleinstmöglichen Laser
Bei extrem niedrigen Temperaturen verhält sich Materie oft anders als gewohnt.
07.05.2021
Die Entdeckung von acht neuen Millisekunden-Pulsaren
Eine Gruppe von Astronomen hat mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop acht Millisekunden-Pulsare entdeckt, die sich in Kugelsternhaufen mit hoher Sterndichte befinden.
04.05.2021
Handfeste Hinweise auf neue Physik
Das Fermilab (USA) hat heute erste Daten aus dem Myon g-2 Experiment veröffentlicht, welche die Messwerte des gleichnamigen, 2001 durchgeführten Experiments am Brookhaven National Laboratory bestätigen.
04.05.2021
Neuer Exoplanet um jungen sonnenähnlichen Stern entdeckt
Astronomen aus den Niederlanden, Belgien, Chile, den USA und Deutschland bilden neu entdeckten Exoplaneten „YSES 2b“ direkt neben seinem Mutterstern ab.
07.04.2021
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte. Und vielleicht sogar Hinweise auf noch unbekannte Teilchen im Universum gibt.
02.04.2021
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
02.04.2021
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.
02.04.2021
Erstmals Atominterferometer im Weltraum demonstriert
Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitationswellen aufzuspüren. Weitere Raketenmissionen sollen folgen.
02.04.2021
Sendungsverfolgung für eine Quantenpost
Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber bislang nicht besonders effizient.
25.03.2021
Astronomen bilden Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M 87 ab
Ein neuer Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung.
24.03.2021
Die frühesten Strukturen des Universums
Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren.
24.03.2021
Können Sternhaufen Teilchen höher beschleunigen als Supernovae?
Ein internationales Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, dass hochenergetische kosmische Strahlung in der Umgebung massereicher Sterne erzeugt wird. Neue Hinweise gefunden, wie kosmische Strahlung entsteht.
24.03.2021
Neue Resultate stellen physikalische Gesetze in Frage
Forschende der UZH und des CERN haben neue verblüffende Ergebnisse veröffentlicht.
21.03.2021
Elektronen eingegipst
Eine scheinbar einfache Wechselwirkung zwischen Elektronen kann in einem extremen Vielteilchenproblem zu verblüffenden Korrelationen führen.
21.03.2021
Chromatischer Lichtteilcheneffekt für die Entwicklung photonischer Quantennetzwerke enthüllt
Es ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung. In einem Schlüsselexperiment ist es gelungen, die bislang definierten Grenzen für Photonenanwendungen zu überschreiten.
18.03.2021
Stratosphärische Winde auf Jupiter erstmals gemessen
Mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hat ein Team von Astronomen zum ersten Mal die Winde in der mittleren Atmosphäre des Jupiters direkt gemessen.
18.03.2021
Was Gravitationswellen über Dunkle Materie verraten
Die NANOGrav-Kollaboration hat kürzlich erste Hinweise auf sehr niederfrequente Gravitationswellen beobachtet.
18.03.2021
Filamente des kosmischen Netzwerks entdeckt
Einem internationalen Team von Astronominnen und Astronomen gelang zum ersten Mal die direkte Kartierung kosmischer Filamente im jungen Universum, weniger als zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die Beobachtungen zeigen sehr leuchtschwache Galaxien, und geben Hinweise auf deren Vorfahren.
18.03.2021
Blaupausen für das Fusionskraftwerk
Am 21 März 1991 erzeugte die Experimentieranlage ASDEX Upgrade im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching das erste Plasma.
12.03.2021
Was die reflektierte Strahlung von Exoplaneten verraten könnte
Als 1995 der erste Planet außerhalb unseres Sonnensystems gefunden wurde, war das eine Sensation, die später mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt wurde.
12.03.2021
Theoretische Lösung für Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit
Wenn Reisen zu fernen Sternen innerhalb der Lebenszeit eines Menschen möglich sein sollen, muss ein Antrieb gefunden werden, der schneller als Lichtgeschwindigkeit ist.
12.03.2021
Quantenkontrolle mit Fernbedienung
Quantentechnologien basieren auf der präzisen Kontrolle des Zustands und der Wechselwirkung einzelner Quantenteilchen.
12.03.2021
Wie Gesteine die Bewohnbarkeit von Exoplaneten beeinflussen
Die Verwitterung von Silikatgesteinen trägt massgeblich dazu bei, dass auf der Erde ein gemässigtes Klima herrscht.