التماثل الجزيئي Molecular Symmetry

التماثل خاصية تعتمد على تركيب الجزيئة فبعض الجزيئات تملك تماثلا تركيبيا وبعضها الاخر لا يملك ذلك ودراسة خواص تماثل الجزيئات فرع مهم في الفيزياء الجزيئية لانها تقود الى استخلاص معلومات عن تركيب الجزيئة فكلما امتلكت الجزيئة تماثلا اكبر يصبح من الاسهل تعيين اعلومات الجزيئة لان عدم وجود تماثل يجعل الحصول على الزوايا والمسافات بين ذرات الجزيئة صعباً.

التماثل في الفيزياء الجزيئية هو التكرار المنتظم في الفضاء لاجسام متشابهة فمثلا جزيئة الهيدروجين تتكون من ذرتي هيدروجين وتفصل بينهما مسافة d فلو قمنا بتدوير احدى الذرتين او الجزيئة كلها حول نقطة تقع في منتصف المسافة d (مركز ثقل الجزيئة) بزاوية 180 فستنطبق الجزيئة على نفسها ونحصل على الترتيب نفسه الذي كانت عليه قبل التدوير وتدعى عملية تدوير الجزيئة حول مركز ثقلها بعملية تماثل symmetry operation.

وكذلك فان جزيئة الماء تتكون من ذرة اوكسجين وذرتي هيدروجين وبين ذرتيي الهيدروجين زاويةa كما مبين في شكل 1 والجزيئة متماثلة على جانبي مستوى عمودي في منتصف ذرة الاوكسجين فالجانب الايمن من الجزيئة انعكاس مراة للجانب الايسر ووحدة التماثل لجزيئة الماء ذرة هيدروجين ونصف الاوكسجين وبسبب خاصية التماثل هذه تكفي اعلومتين لوصف جزيئة الماء: مصدار المسافة بين ذرة هيدروجين وذرة الاوكسجين وقيمة الزاوية a بين ذرتي الهيدروجين. طول الآصرة في جزيئة الماء 0.9584 انكستروم وقيمة الزاوية =104.45α

تتم دراسة التماثل في الجزيئات بعناصر التماثل  symmetry elements وعمليات التماثل ففي المثال السابق لجزيئة الهيدروجين كان عنصر التماثل محور دوران ولجزيئة الماء كان مستوى انعكاس فمستويات التماثل ومحاور التماثل ونقاط التماثل تدعى جميعا عناصر تماثل ويمكن تصنيف تماثل الجزيئة وفقا لعدد وانواع عناصر التماثل ولهذه الغاية توجد رموز للتعبير عن عناصر التماثل المختلفة.

• محاور التماثل ورمزها C_n للتعبير عن وجود محاور دوران عددها n وتملك الجزيئة محاور تماثل عددها n اذا عادت الى ترتيبها الاولي بعد دوران حول محور بزاوية  α= 2π/n وجزيئة الماء تملك محور تماثل C₂.
• مستويات التماثل ورمزها σ للتعبير عن وجود مستوى تماثل للجزيئة التي تعود الى ترتيبها الاولي بعد الانعكاس عند هذا المستوى. يدعى المستوى بالمستوى العمودي ويرمز له σ_v اذا كان محور التماثل للجزيئة C_n يقع على هذا المستوى (اتجاه z)

الشكل (2)

نلاحظ ان مستويات التماثل العمودية على هذا المحور (المستوى xy) يرمز لها σ_h (افقي) وجزيئة الماء تملك مستويين σ_xy, σ_{v و} σ_xz في شكل 2 بعض مستويات التماثل لجزيئة البنزين C₆H₆ وفيها ستة مستويات تماثل عمودية σ_v ومستوى تماثل افقي واحد σ_h.

• محاور دوران وانعكاس ورمزها S_n للتعبير عن محور تماثل عند دوران الجزيئة بزاوية α= 2π/n حول المحور يتبعها انعكاس عند مستوى عمودي على المحور تعود بعده الجزيئة الى ترتيبها الاولي وجزيئة C₃H₄ تملك محور تماثل S₄ وثلاثة محاور تماثل C₂.
• مركز انقلاب ورمزه i  للتعبير عن انعكاس كل نواة ذرة في الجزيئة عند هذا المركز. ويقع مركز الانقلاب بالضرورة في مركز ثقل الجزيئة والذي يمثل نقطة الاصل في الاحداثيات المرجعية فكل احداثيات النواة (x.y.z) تتغير اشارتها عند الانقلاب فتصبح (-x,-y,-z) وكل الجزيئات الثنائية الذرة المتشابهة الذرتين مثل جزيئة ثاني اوكسيد الكربون CO2، البنزين C2H2 تملك مركز انقلاب كما مبين في شكل 3. مركز الانقلاب i لجزيئة البنزين C6H6 يقع في مركز الحلقة

السداسية لجزيئة البنزين ومركز الانقلاب i لجزيئة ثاني اوكسيد الكربون CO₂ يقع في منتصف ذرة الكربون C.

الشكل (3)

ان للتماثل الجزيئي فائدة عظيمة في جمع الانواع الكثيرة جدا من الجزيئات في تصنيفات محدودة وفقا لخواص تماثل الجزيئة، مما يسهل كثيرا تعيين الحالات الجزيئية والانتقالات المسموح بها والانتقالات الممنوعة خلال امتصاص او انبعاث الاشعاع الكهرومغناطيسي خصوصا الجزيئات المتعددة الذرات وقد كان ذلك ممكنا على وجه الخصوص بعد تطبيق نظرية المجموعة لوصف التماثل الجزيئي والتي اعطت تمثيلا دقيقا جدا وواضحا لانواع التماثل الجزيئي.