Закрытый элемент симметрии
Закры́тый элеме́нт симме́трии, геометрический образ закрытой операции симметрии, отображающей фигуру саму в себя при её повороте, отражении или их комбинации, которые при этом сохраняют расстояния между соответствующими точками симметричных частей фигуры и оставляют неподвижной хотя бы одну её точку. Закрытые элементы симметрии самосовмещаются при своём действии и характерны прежде всего для конечных фигур, но могут встречаться и в бесконечных. В трёхмерном евклидовом пространстве классические закрытые элементы симметрии представляют собой точку (центр симметрии или инверсии), прямую (поворотная, инверсионная и зеркально-поворотная оси) или плоскость (плоскость зеркального отражения). Названия и определения центра, оси и плоскости симметрии дал О. Браве в 1849 г., в 1867 г. А. В. Гадолиным введены инверсионные оси, а в 1884 г. П. Кюри выдвинул понятие зеркально-поворотной оси. Аналогично соответствующим операциям симметрии различают: 1) элементы симметрии I рода, которые связывают конгруэнтные (совместимые наложением) части симметричной фигуры, 2) элементы симметрии II рода, которые связывают энантиоморфные (зеркально-равные) части фигуры. К закрытым элементам симметрии I рода относятся только поворотные оси, остальные являются элементами симметрии II рода. Закрытые элементы симметрии конечной фигуры пересекаются в одной точке или по единственной прямой, являющейся поворотной осью, и составляют точечную группу симметрии фигуры. Порядок закрытого элемента симметрии равен порядку соответствующей операции симметрии и минимальному числу их последовательных действий, необходимых для перехода симметричной фигуры в исходное положение. Различают закрытые элементы симметрии низшего порядка (первого и второго) и высшего порядка (третьего и более). Первый порядок соответствует тождественному преобразованию фигуры самой в себя, второй порядок имеют центр симметрии, плоскость зеркального отражения и двойная поворотная ось, более высокие порядки могут быть только у поворотных, зеркально-поворотных и инверсионно-поворотных осей. Действие центра симметрии и зеркальной плоскости сводится к отражению в точке и плоскости соответственно, поворотная ось поворачивает фигуру на минимальный угол = 360°/, где – порядок оси, а для инверсионной и зеркально-поворотной осей поворот сопровождается соответственно инверсией в одной из точек оси или отражением в плоскости, перпендикулярной оси. Несмотря на различия, последние два вида осей сводятся друг к другу, т. к. зеркально-поворотная ось с элементарным углом = 360°/n эквивалентна инверсионной оси с углом поворота 180° – . Примеры действия некоторых закрытых элементов симметрии приведены на рис. 1.
Порядок закрытых осей симметрии для конечных фигур не ограничен, а для двух- и трёхмерно-периодических фигур возможны только оси 2, 3, 4 или 6-го порядка из-за ограничений, вызванных присутствием двух- или трёхмерной решётки. Для бесконечных фигур с решётками более высоких размерностей возможны оси 5-го, 7-го и более высоких порядков, а также многомерные элементы симметрии (например, «трёхмерные» зеркальные плоскости). Для условных обозначений обычных закрытых элементов симметрии в основном применяют три системы (таблица): по О. Браве (1849), А. Шёнфлису (1891), К. Герману и Ш. Могену (1928–1931). Символику Браве используют как учебную, обозначения Шёнфлиса и зеркально-поворотные оси применяют в физике, химии и других естественных науках, символику Германа – Могена (или международную) и инверсионные оси главным образом используют в кристаллографии. Графические и международные обозначения центра симметрии и некоторых поворотных и инверсионных осей даны на рис. 2, зеркальную плоскость на графиках точечных и пространственных групп показывают двойной линией или одинарной жирной линией соответственно.