X射线晶体学（英语：X-ray crystallography）是一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科。更准确地说，利用电子对X射线的衍射作用，X射线晶体学可以获得晶体中电子密度的分布情况，再从中分析获得关于原子位置和化学键的信息，即晶体结构。
由于包括盐类、金属[1][2]、矿物、半导体[3], 冰[4]，催化剂[5][6][7]，吸附剂[8] 在内的许多物质都可以形成晶体，X射线晶体学已经是许多学科的基本技术。这项技术最初主要被用于测量原子大小、化学键的类型和键长，以及其他的许多物质，尤其是矿物和合金。后来，X射线晶体学也揭示了许多生物分子的结构和功能，例如维生素、药物、蛋白质以及脱氧核糖核酸（DNA）。X射线晶体学如今仍然是从原子尺度研究物质结构的主要方法。
研究方法
由于所有的原子都含有电子，并且X射线的波长范围为0.001－10纳米，其波长与成键原子之间的距离（约0.1-0.2纳米）相当，因此X射线可用于研究各类分子的结构。但是，到目前为止还不能用X射线对单个的分子成像，因为没有X射线透镜可以聚焦X射线，而且X射线对单个分子的衍射能力非常弱，无法被探测。[9]而晶体（一般为单晶）中含有数量巨大的方位相同的分子，X射线对这些分子的衍射叠加在一起就能够产生足以被探测的信号。从这个意义上说，晶体就是一个X射线的信号放大器。[9]X射线晶体学将X射线与晶体学联系在一起，从而可以对各类晶体结构进行研究，特别是蛋白质晶体结构。
通过X射线衍射分析结构必须首先获得样品的单晶。晶体生长的方法有很多，如气相扩散法、液相扩散法、温度渐变法、真空升华法、对流法等等，而目前应用最广泛的一种晶体生长方法是气相扩散法。气相扩散法又可以分为悬滴法、坐滴法、三明治法、油滴法和微量透析法。其中，悬滴法的使用频率最高。（以上方法都属于化学方法，通常，研究凝聚态物理的用得最多的是区熔法，以多晶材料为基础通过局部施加高温使其部分熔化后再结晶，从而逐渐得到大块的晶体，高分子材料通常不能承受过高温度，所以无法使用这种方法） 结晶时，生成晶体的溶液须先进入成核状态形成晶核，然后进入稳定态使晶体成长，才能获得足够大小的单晶。而合适的晶体生长条件往往极难预测，所以在获得初步的晶体生长条件后，需要对晶体生长条件进行优化，包括调整沉淀剂浓度（如聚乙二醇、盐类等）、pH值、样品浓度、温度、离子强度等。
在获得单晶之后，就需要进行衍射实验，即用X射线打到晶体上，产生衍射，并记录衍射数据。 由于结晶条件的苛刻和晶体本身的脆弱，操纵晶体时要小心防止将其破坏。有多种方法可用于固定晶体并控制其在衍射实验中的旋转。过去的一种方法是将晶体与母液一同吸入一根毛细玻璃管。如今常用的方法是将晶体置于玻璃或尼龙纤维上，并用液氮冷却X射线带来的能量。
X射线的来源主要有两种，一种是在常用X射线仪上使用的，通过高能电子流轰击铜靶（或钼靶），产生多个特征波长的X射线，其中使用的CuKα的波长为1.5418Å；另一种就是利用同步辐射所产生的X射线，其波长可以变化。同步辐射X射线可以分为角散同步辐射（ADXD）和能散同步辐射（EDXRD）两种，角散同步辐射的实验原理与通常的X射线衍射仪是一样的，不过波长更低（如0.6199Å），能量更高；而能散使用白光入射，即入射光具有连续波长，收集的衍射信号是在固定角度进行的，它的分辩率较角散同步辐射低，技术要求也较低。现在中国的北京同步辐射装置（BSRF）已经升级成了角散的。 衍射数据（包括衍射点的位置和强度）的记录多采用像板或CCD探测器。
由于晶体衍射图样实际上是晶体中所有原子的电子对X射线衍射的叠加，而现实中并不存在可以聚焦X射线的透镜，通过对衍射结果（用结构因子来表示）进行反傅立叶变换，才可以获得晶体中电子密度的分布。而结构因子是与波动方程相关的，计算结构因子需要获得波动方程中的三个参数，即振幅、频率和相位。振幅可以通过每个衍射点的强度直接计算获得，频率也是已知的，但相位无法从衍射数据中直接获得，因此就产生了晶体结构解析中的“相位问题（phase problem）”。
有几种解决相位问题的方法，其中分子置换法、同晶置换法和反常散射法常用于解析生物大分子结构。： 直接法：直接计算相位，常用于较小的分子（含有少于1000个氢原子以外的原子）。
Patterson法：
反常散射法：
同晶置换法：将一个高电子密度的金属原子导入到分子中。结合导入前后和金属原子本身的衍射结果解决相位问题。常用的有硒、铼等。
分子置换法：若分子的部分结构与已知结构的分子相似，可以结合已知分子的结构解决相位问题。
历史
尽管人们自古以来就很喜欢漂亮的晶体，但科学化的研究是等到17世纪才开始的。约翰内斯·开普勒于1611年发现雪花的对称六角结构是由水分子规则性的排列组成。
尼古拉斯·斯坦诺于1669年研究晶体的对称性，他指出在同一个晶体上面与面的角度总是一样的。于1784年发现，晶体的结构都能被描述成把相同大小形状的物体重复有规则的排列。William Hallowes Miller与1839年给晶体的每一面各标上整数，密勒指数到现在还被用于确定晶体方向。
勒内·茹斯特·阿羽依的研究告诉我们晶体的正确概念，晶体是由晶体结构在三个方向上重复排列。
威廉·伦琴于1895年发现X射线。物理学家当时不清楚那是什么，怀疑他是电磁波（它的确是）。经许多实验的许多现象说明X射线是电磁波，但X射线同时有粒子的特性（它的确应该有，因为电磁波的载体是光子——一种粒子）。威廉·亨利·布拉格因为这点于1907年认为X射线不是电磁波。马克斯·冯·劳厄于1912年证实X射线确实是电磁波。
参考资料
延伸阅读
参见
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