Punktgruppe

Eine Punktgruppe ist ein spezieller Typus einer Symmetriegruppe der euklidischen Geometrie, der die Symmetrie einer Punktmenge (beispielsweise eines Körpers) beschreibt. Die Punktgruppe einer Symmentriegruppe enthält die so genannten Ableitungen der affinen Elemente einer Symmetriegruppe.

In der Kristallographie stellt jede der 32 möglichen Kristallklassen eine Punktgruppe dar. Deren Bestimmung ist somit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Bestimmung der Raumgruppe, die die Symmetrie eines Kristalls beschreibt.

In der Molekülphysik sind Punktgruppen unentbehrlich, um aus spektroskopischen Daten auf die Symmetrie eines Moleküls zu schließen, oder um anhand der bekannten Symmetrie physikalische Eigenschaften vorherzusagen.

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Mathematische Grundlagen

Die Symmetriegruppe eines Körpers wird mathematisch als Menge aller möglichen Symmetrieoperationen beschrieben. Mit Symmetrieoperationen sind dabei euklidische Bewegungen gemeint, die den Körper auf sich abbilden. Zu unterscheiden sind dabei gerade Bewegungen, welche die Orientierung erhalten und ungerade, welche die Orientierung umkehren, z. B. Spiegelungen an Ebenen.

Mögliche Symmetrieoperationen in Punktgruppen im dreidimensionalen, euklidischen Vektorraum sind die Identitätsabbildung, Punktspiegelung an einem Inversionszentrum, Spiegelung an einer Spiegelebene, Drehung um eine Drehachse, sowie als Kombination daraus eine Drehspiegelung. Wenn man das Hintereinanderausführen von Symmetrieoperationen als additive Verknüpfung auffasst, erkennt man, dass eine Menge von Symmetrieoperationen eine (in der Regel nicht kommutative) Gruppe ist. Die Elemente einer Punktgruppe sind die Bilder der Symmetriegruppe unter dem Ableitungs-Homomorphismuses. Diese Abbildung ist nicht injektiv, da beispielsweise sowohl Translationen als auch die Identitätsabbildung auf ihre linearen Teile abgebildet werden, welche in beiden Fällen die Identität der Punktgruppe darstellt. Punktgruppen enthalten mindestens einen Punkt, der Fixpunkt aller Symmetrieoperationen ist. Dies ist genau dann der Fall, wenn die Symmetriegruppe keine Translationen enthält, also immer bei beschränkten Körpern.

Internationale Nomenklatur

Es finden zwei Symbolsysteme breite Anwendung: In der Kristallographie hat sich das von Carl Hermann und Charles-Victor Mauguin abgeleitete System durchgesetzt, das die Zähligkeit der Symmetrie in den Vordergrund setzt. In der Molekülphysik ist die Symbolik von Schoenflies weit verbreitet, die auf den zugrundeliegenden Symmetrieelementen beruht.

System von Hermann-Mauguin

Zähligkeit der Achse: im Kristall nur 1, 2, 3, 4 oder 6, sonst auch 5, 7, ...
Drehinversionsachse:         - (über der Zahl)
Symmetrieebene:              m
Kombination Drehachse/Ebene: / 

Dabei wird in der internationalen Form nicht für alle Achsen eine Angabe gemacht, sondern verkürzt dargestellt. Z.B. mmm statt 2/m 2/m 2/m

System von Schoenflies

Drehgruppen:                C
Drehspiegelgruppen:         S
Diedergruppen:              D
Tetraedergruppen:           T
Oktaedergruppen:            O
Ikosaedergruppen:           I
Kugelgruppen:               K

horizontale Symmetrieebene: h
vertikale Symmetrieebene:   v
diagonale Symmetrieebene:   d
Inversionszentrum:          i
Spiegelebene:               s

Dabei wird dem Gruppensymbol je nach Bedarf die Zähligkeit der Achse und/oder ein Symbol für andere Symmetrieelemente als Index angehängt, z.B. D_2h

Kristallographische Bedeutung / Kristallklassen

Nicht alle Symmetrien eines Moleküls sind mit der Symmetrie eines Kristalls vereinbar: Wie Pierre Curie erkannte, sind in einem Kristall nur 6-, 4-, 3-, 2-zählige Drehachsen möglich (Drehungen um 60, 90, 120 bzw. 180 und jeweils Vielfache davon). Die Angabe einer 1-zähligen Drehachse bedeutet, dass ein Körper keine Drehsymmetrie besitzt. Eine 5-, 7- oder höherzählige Drehachse gibt es in Kristallen nicht, weil damit keine vollständige Raumausfüllung möglich wäre. Dennoch wurde eine 5-zählige Symmetrie in manchen metallischen Gläsern gefunden.

Es gibt im endlichdimensionalen Raum nur endlich viele mit Kristallsymmetrie verträgliche Punktgruppen. Speziell im dreidimensionalen euklidischen Raum gibt es 32 davon.

Die möglichen Symmetrien eines Kristalls werden mit den 230 kristallographischen Raumgruppen beschrieben. Können die Rotationsteile der Symmetrieoperationen zweier Raumgruppen bei beliebiger Basenwahl zur Übereinstimmung gebracht werden, so werden sie der selben geometrischen Kristallklasse, entsprechend einer der 32 kristallographischen Punktgruppen, zugeordnet. Fordert man, dass es sich dabei um eine primitive Basis handelt, so erhält man 73 arithmetische Kristallklassen, die den geometrischen Kristallklassen entsprechen, aber zusätzlich Gitterzentrierung besitzen. So entsprechen z.B. der geometrischen Kristallklasse 2 die arithmetischen Kristallklassen P2 und C2.

Weil das Beugungsbild von Kristallen in der Röntgenbeugung bei Abwesenheit anomaler Streuung immer ein Inversionszentrum enthält, werden Kristalle einer von 11 zentrosymmetrischen kristallographischen Punktgruppen zugeordnet, die auch als Lauegruppen bezeichnet werden.

Wichtige Punktgruppen (Tabellen)

Punktgruppen und Kristallklassen

Kristallsystem	Kristallklasse	Schönflies	Hermann-Mauguin	Hermann/Mauguin Kurzsymbol
Triklin	triklin-pedial	C1
	triklin-pinakoidal	Ci
Monoklin	monoklin-sphenoidisch	C2
	monoklin-domatisch	Cs
	monoklin-prismatisch	C2h
Orthorhombisch	rhombisch-disphenoidisch	D2
	rhombisch-pyramidal	C2v
	rhombisch-dipyramidal	D2h
Tetragonal	tetragonal-pyramidal	C4
	tetragonal-disphenoidisch	S4
	tetragonal-dipyramidal	C4h
	tetragonal-trapezoedrisch	D4
	ditetragonal-pyramidal	C4v
	tetragonal-skalenoedrisch	D2d	oder
	ditetragonal-dipyramidal	D4h
Trigonal	trigonal-pyramidal	C3
	rhomboedrisch	C3i
	trigonal-trapezoedrisch	D3	oder oder
	ditrigonal-pyramidal	C3v	oder oder
	ditrigonal-skalenoedrisch	D3d	oder oder
Hexagonal	hexagonal-pyramidal	C6
	trigonal-dipyramidal	C3h
	hexagonal-dipyramidal	C6h
	hexagonal-trapezoedrisch	D6
	dihexagonal-pyramidal	C6v
	ditrigonal-dipyramidal	D3h	oder
	dihexagonal-dipyramidal	D6h
Kubisch	tetraedrischpentagondodekaedrisch	T
	disdodekaedrisch	Th
	pentagonikositetraedrisch	O
	hexakistetraedrisch	Td
	hexakisoktaedrisch	Oh

Punktgruppen und Molekülsymmetrie

Schönflies	H. / M.	Symmetrieelemente	Molekülbeispiele
Punktgruppen geringer Symmetrie
C1		C1	CHFClBr
Cs ≡ S1		σ ≡ S1	BFClBr, SOCl2
Ci ≡ S2		i ≡ S2	1,2-Dibrom-1,2-Dichlorethan, meso-Weinsäure
ebene Drehgruppen SO(2)
C2		C2	H2O2, S2Cl2
C3		C3	Triphenylmethan, N(GeH3)3
C4		C4	12-Krone-4
C5		C5	15-Krone-5
C6		C6	18-Krone-6
Drehgruppen mit vertikalen Spiegelebenen
C2v ≡ D1h		C2, 2σv	H2O, SO2Cl2, o-/m-Dichlorbenzol
C3v		C3, 3σv	NH3, CHCl3, CH3Cl, POCl3
C4v		C4, 4σv	SF5Cl, XeOF4
C5v	-	C5, 5σv	Corannulen, C5H5In
C6v		C6, 6σv	Benzol-hexamethylbenzol-chrom(0)
C∞v	-	C∞, ∞σv	lineare Moleküle wie HCN, COS
Drehgruppen mit horizontalen Spiegelebenen
C2h ≡ D1d ≡ S2v		C2, σh, i	Oxalsäure
C3h ≡ S3		C3, σh	Borsäure
C4h		C4, σh, i	Polycycloalkan C12H20
C6h		C6, σh, i	Hexa-2-propenyl-benzol
Drehspiegelgruppen
S4		S4	Tetraphenylmethan, Si(OCH3)4
S6 ≡ C3i		S6	Hexacyclopropylethan
Diedergruppen
D2 ≡ S1v		3C2	Twistan
D3		C3, 3C2	Tris-chelatkomplexe
D4		C4, 4C2	-
D6		C6, 6C2	Hexaphenylbenzol
Diedergruppen mit horizontalen Spiegelebenen
D2h		S2, 3C2, 2σv, σh, i	Ethen, p-Dichlorbenzol
D3h		S3, C3, 3C2, 3σv, σh	BF3, PCl5
D4h		S2, C4, 4C2, 4σv, σh, i	Re2(CO)10
D5h	-	S2, C5, 5C2, 5σv, σh	IF7
D6h		S2, C6, 6C2, 6σv, σh, i	Benzol
D∞h	-	S2, C∞, ∞σv	lineare Moleküle wie Kohlendioxid, Ethin
Diedergruppen mit diagonalen Spiegelebenen
D2d ≡ S4v		S4, 3C2, 2σd	Propadien, Cyclooctatetraen, B2Cl4
D3d ≡ S6v		S6, C3, 3C2, 3σd, i	Cyclohexan
D4d ≡ S8v	-	S8, C4, 4C2, 4σd	Cyclo-Schwefel (S8)
D5d ≡ S10v	-	S10, C5, 5C2, 5σd	Ferrocen
Tetraedergruppen
T		3S4, 4C3, 3C2	Pt(PF3)4
Th		4S6, 4C3, 3C2, 3σh, i	Fe(C6H5)6
Td		3S4, 4C3, 3C2, 6σd	Methan, Phosphor (P4)
Oktaedergruppen
O		3C4, 4C3, 6C2	-
Oh		4S6, 3S4, 3C4, 4C3, 6C2, 3σh, 6σd, i	SF6, Cuban
Ikosaedergruppen
I	-	12S10, 10S6, 6C5, 10C3, 15C2	Fulleren-C20 (Pentagondodekaeder)
Ih	-	12S10, 10S6, 6C5, 10C3, 15C2, 15σv, i	Fulleren-C60
räumliche Drehgruppen SO(3)
Kh	-	∞C∞, ∞σ, i	einatomige Moleküle wie Helium, Elementarteilchen