X射線晶體學
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X射線晶體學（英語：X-ray crystallography）是一門利用X射線來研究晶體中原子排列的學科。更準確地說，利用電子對X射線的繞射作用，X射線晶體學可以獲得晶體中電子密度的分佈情況，再從中分析獲得關於原子位置和化學鍵的資訊，即晶體結構。
由於包括鹽類、金屬[1][2]、礦物、半導體[3], 冰[4]，催化劑[5][6][7]，吸附劑[8] 在內的許多物質都可以形成晶體，X射線晶體學已經是許多學科的基本技術。這項技術最初主要被用於測量原子大小、化學鍵的類型和鍵長，以及其他的許多物質，尤其是礦物和合金。後來，X射線晶體學也揭示了許多生物分子的結構和功能，例如維生素、藥物、蛋白質以及去氧核糖核酸（DNA）。X射線晶體學如今仍然是從原子尺度研究物質結構的主要方法。
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由於所有的原子都含有電子，並且X射線的波長範圍為0.001－10奈米，其波長與成鍵原子之間的距離（約0.1-0.2奈米）相當，因此X射線可用於研究各類分子的結構。但是，到目前為止還不能用X射線對單個的分子成像，因為沒有X射線透鏡可以聚焦X射線，而且X射線對單個分子的繞射能力非常弱，無法被探測。[9]而晶體（一般為單晶）中含有數量巨大的方位相同的分子，X射線對這些分子的繞射疊加在一起就能夠產生足以被探測的信號。從這個意義上說，晶體就是一個X射線的信號放大器。[9]X射線晶體學將X射線與晶體學聯繫在一起，從而可以對各類晶體結構進行研究，特別是蛋白質晶體結構。
通過X射線繞射分析結構必須首先獲得樣品的單晶。晶體生長的方法有很多，如氣相擴散法、液相擴散法、溫度漸變法、真空昇華法、對流法等等，而目前應用最廣泛的一種晶體生長方法是氣相擴散法。氣相擴散法又可以分為懸滴法、坐滴法、三明治法、油滴法和微量透析法。其中，懸滴法的使用頻率最高。（以上方法都屬於化學方法，通常，研究凝聚態物理的用得最多的是區熔法，以多晶材料為基礎通過局部施加高溫使其部分熔化後再結晶，從而逐漸得到大塊的晶體，高分子材料通常不能承受過高溫度，所以無法使用這種方法） 結晶時，生成晶體的溶液須先進入成核狀態形成晶核，然後進入穩定態使晶體成長，才能獲得足夠大小的單晶。而合適的晶體生長條件往往極難預測，所以在獲得初步的晶體生長條件後，需要對晶體生長條件進行優化，包括調整沉澱劑濃度（如聚乙二醇、鹽類等）、pH值、樣品濃度、溫度、離子強度等。
在獲得單晶之後，就需要進行繞射實驗，即用X射線打到晶體上，產生繞射，並記錄繞射資料。 由於結晶條件的苛刻和晶體本身的脆弱，操縱晶體時要小心防止將其破壞。有多種方法可用於固定晶體並控制其在繞射實驗中的旋轉。過去的一種方法是將晶體與母液一同吸入一根毛細玻璃管。如今常用的方法是將晶體置於玻璃或尼龍纖維上，並用液氮冷卻X射線帶來的能量。
X射線的來源主要有兩種，一種是在常用X射線儀上使用的，通過高能電子流轟擊銅靶（或鉬靶），產生多個特徵波長的X射線，其中使用的CuKα的波長為1.5418Å；另一種就是利用同步輻射所產生的X射線，其波長可以變化。同步輻射X射線可以分為角散同步輻射（ADXD）和能散同步輻射（EDXRD）兩種，角散同步輻射的實驗原理與通常的X射線繞射儀是一樣的，不過波長更低（如0.6199Å），能量更高；而能散使用白光入射，即入射光具有連續波長，收集的繞射信號是在固定角度進行的，它的分辯率較角散同步輻射低，技術要求也較低。現在中國的北京同步輻射裝置（BSRF）已經升級成了角散的。 繞射資料（包括繞射點的位置和強度）的記錄多採用像板或CCD探測器。
由於晶體繞射圖樣實際上是晶體中所有原子的電子對X射線繞射的疊加，而現實中並不存在可以聚焦X射線的透鏡，通過對繞射結果（用結構因子來表示）進行反傅立葉變換，才可以獲得晶體中電子密度的分布。而結構因子是與波動方程式相關的，計算結構因子需要獲得波動方程式中的三個參數，即振幅、頻率和相位。振幅可以通過每個繞射點的強度直接計算獲得，頻率也是已知的，但相位無法從繞射資料中直接獲得，因此就產生了晶體結構解析中的「相位問題（phase problem）」。
有幾種解決相位問題的方法，其中分子置換法、同晶置換法和反常散射法常用於解析生物大分子結構。： 直接法：直接計算相位，常用於較小的分子（含有少於1000個氫原子以外的原子）。
Patterson法：
反常散射法：
同晶置換法：將一個高電子密度的金屬原子導入到分子中。結合導入前後和金屬原子本身的繞射結果解決相位問題。常用的有硒、錸等。
分子置換法：若分子的部分結構與已知結構的分子相似，可以結合已知分子的結構解決相位問題。
儘管人們自古以來就很喜歡漂亮的晶體，但科學化的研究是等到17世紀才開始的。約翰內斯·克卜勒於1611年發現雪花的對稱六角結構是由水分子規則性的排列組成。
尼古拉斯·斯坦諾於1669年研究晶體的對稱性，他指出在同一個晶體上面與面的角度總是一樣的。於1784年發現，晶體的結構都能被描述成把相同大小形狀的物體重複有規則的排列。William Hallowes Miller與1839年給晶體的每一面各標上整數，密勒指數到現在還被用於確定晶體方向。
勒內·茹斯特·阿羽依的研究告訴我們晶體的正確概念，晶體是由晶體結構在三個方向上重複排列。
威廉·倫琴於1895年發現X射線。物理學家當時不清楚那是什麼，懷疑他是電磁波（它的確是）。經許多實驗的許多現象說明X射線是電磁波，但X射線同時有粒子的特性（它的確應該有，因為電磁波的載體是光子——一種粒子）。威廉·亨利·布拉格因為這點於1907年認為X射線不是電磁波。馬克斯·馮·勞厄於1912年證實X射線確實是電磁波。
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