点群

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数学における点群(てんぐん、: point group)とはある図形の形を保ったまま行う移動操作のうち、少なくとも1つの不動点を持つものをとするのこと。

このような抽象的な群の概念を導入することによって、物理学化学における結晶分子対称性を数学的に記述することができる。そのような応用との関係からふつう3次元ユークリッド空間における変換の範疇で考えることが多い。

対称操作[編集]

正四面体を、ある面の重心を通る垂線の回りに120度回転させてももとの正四面体と区別はつかない。このようにある図形に対して、もとの図形と区別がつかないように移動を行う操作を対称操作という。

このような、3次元ユークリッド空間における対称操作には以下の7つの種類がある。

  1. 恒等操作 - 何の移動もしない。
  2. 回転操作 - 図形上のすべての点をある軸(対称軸)に対して回転させる。
  3. 鏡映操作 - 図形上のすべての点をある面(対称面)について面対称に移動させる。
  4. 反転操作 - 図形上のすべての点をある点(対称中心)について点対称に移動させる。
  5. 回映操作 - 図形上のすべての点をある軸(回映軸)に対して回転させた後、その軸に垂直な面について面対称に移動させる。
  6. 回反操作 - 図形上のすべての点をある軸(回反軸)に対して回転させた後、その軸上の一点について点対称に移動させる。
  7. 並進操作 - 図形上のすべての点を平行移動させる

この中で並進操作以外では少なくとも1つの点が不動点となる。恒等操作では図形上のすべての点が、回転操作では回転軸上の点が、鏡映操作では鏡映面上の点が、反転操作では対称中心が、回映操作では回映軸上の1点が、回反操作では回反軸上の1点が不動点となっている。

それぞれの操作を特徴付けている対称軸、対称面、対称中心、回映軸、回反軸は対称要素とよばれる。

点群[編集]

同じ図形に関するふたつの対称操作ab とのa×b を、考えている図形に対しa に続いてb を施してえられる対称操作と定義する。そうすると、ある図形の並進操作以外の対称操作の集合は次のように群の公理を満たしている。

  1. 結合法則 : 任意の操作a , b , c について(a×b)×c = a×(b×c)が成立。
  2. 単位元 : 任意の操作aが恒等操作eについてa×e = e×a = aとなるようなeが存在する。
  3. 逆元 : 任意の操作aに対し、a×a-1 = a-1×a = eとなるa-1が必ず存在する。

この群のことを与えられた図形の点群という。よって対称性や対称操作について数学的に分析するには、群論の知識を用いて行うことができる。

例えば底面が正三角形の三角錐(正四面体ではない)では、頂点から底面に下ろした垂線は3回軸である。また、この垂線と三角錐の稜線を含む面(3つある)は鏡映面である。したがって、この図形では、対称操作として、恒等操作、120度時計回りの回転操作、120度反時計回りの回転操作、3つの鏡映操作が可能である。この6つの対称操作が群をつくることは、どの2つの連続操作も1つの操作で表現されることからわかる。

点群を記述する方法[編集]

点群を記述するのには以下の2つの方法がある。

例えば底面が正三角形の三角錐の点群はシェーンフリース記号では C3v、ヘルマン・モーガン記号では 3m と表記される。

点群の既約表現[編集]

点群の対称操作の間の掛算関係に対応した関係をもつ行列を、その点群の表現行列といい、これらの対称操作に対応する一組の行列を、その点群の表現と呼ぶ。対称性という抽象的なものの集まりである点群は一見すると捉えどころがないように見えるので、それを目に見える具体的な形にする手段が「表現」である。一般にある1つの点群について、いくつもの表現が可能である。表現行列の性質は、その指標(トレース)によって特徴づけられる。指標をまとめて表にしたものを指標表と呼ぶ。

ある表現がより簡単な表現に分解することができる場合、その表現を可約表現と呼ぶ。これ以上は分解できない表現を既約表現と呼ぶ。可約表現から既約表現への直和分解(簡約)は、適当な相似変換によって行うことができる。なお相似変換をしても指標は変化しない。

考えている系がある対称性をもつ場合、その系の様々な特性は、最も基本的なものを合わせることで構成されていると考えられる。点群という数学的手法で対称性を取り扱うことで、その対称性における最も基本的なもの(既約表現)は何かを知ることができる。

点群の既約表現を表す記号には3通りある。

いつでもΓ と書き、その下に添字として一連の番号をつける方法。
表現の次元数によって記号を変える。1次元の既約表現ならばA もしくはB 、2次元ならばE 、3次元ならばT とする。必要に応じてこれらに適当な添字をつける。
  • BSW記号(Bouckaert-Smoluchowski-Wigner記号)
固体物理学においてよく用いられる。

結晶点群・空間群[編集]

正五角形で平面を埋め尽くすことはできない。例えば72度回転する回転操作は並進操作とは両立しない。このように点群の中で並進操作と両立するものは限られており、3次元の場合は32種しか存在しない。

結晶においては並進操作が成り立たなければならないから、この32種の結晶に許される点群を特に結晶点群という。

結晶点群に含まれる対称操作に並進操作を加えた場合も群を作る。これは空間群と呼ばれる。空間群は全部で230種類ある。

点群の応用例[編集]

関連項目[編集]

参考文献[編集]

  • フェリクス クライン 『正20面体と5次方程式』 関口 次郎、前田 博信訳、シュプリンガー・フェアラーク東京、1997年ISBN 978-4431706922
  • 今野 豊彦 『物質の対称性と群論』 共立出版、2001年ISBN 978-4320034099