晶體學是確定晶體固體中原子排列的實驗科學。單詞“晶體”是從衍生希臘詞籽晶“冷滴，凍結滴”，其含義延伸到所有的固體具有某種程度的透明度，并graphein“寫”。2012年7月，聯合國宣布2014年為國際晶體學年，從而認識到晶體學科學的重要性。

在X射線衍射晶體學（見下文）發展之前，晶體的研究是基于使用測角儀對其幾何形狀的物理測量。這涉及測量晶面相對于彼此以及相對于理論參考軸（晶軸）的角度，并確定所討論晶體的對稱性。每個晶面在3D空間中的位置繪制在立體網（例如Wulff網或Lambert網）上。每個面的極點都繪制在網上。每個點都標有其米勒指數。最后的繪圖允許建立晶體的對稱性。

晶體學方法現在依賴于對某種類型的光束瞄準的樣品的衍射圖案的分析。X射線是最常用的；使用的其他光束包括電子或中子。晶體學家通常會明確說明所使用的光束類型，如X射線晶體學、中子衍射和電子衍射等術語。這三種類型的輻射以不同的方式與樣品相互作用。

• X射線與樣品中電子的空間分布相互作用。
• 電子被帶電粒子并因此與總相互作用電荷分布兩者的原子核和樣品的電子。
• 中子通過強核力被原子核散射，但此外，中子的磁矩不為零。因此，它們也會被磁場散射。當中子從含氫材料中散射出來時，它們會產生具有高噪聲水平的衍射圖案。然而，有時可以對材料進行處理，用氘代替氫。

由于這些不同形式的相互作用，這三種類型的輻射適用于不同的晶體學研究。

一些已通過晶體學分析的材料，例如蛋白質，不會以晶體的形式自然存在。通常，將此類分子置于溶液中并通過蒸汽擴散使其緩慢結晶。將一滴含有分子、緩沖液和沉淀劑的溶液密封在容器中，容器中裝有吸濕溶液。水滴中的水擴散到水庫，慢慢增加濃度并形成晶體。如果濃度上升得更快，分子會簡單地從溶液中沉淀出來，導致顆粒無序，而不是有序且可用的晶體。

一旦獲得晶體，就可以使用輻射束收集數據。雖然許多從事晶體學研究的大學都有自己的X射線產生設備，但同步加速器經常被用作X射線源，因為這種源可以產生更純凈、更完整的圖案。同步加速器源還具有高得多的X射線束強度，因此數據收集所需的時間比在較弱的源通常所需的時間少得多。互補中子晶體學技術用于識別氫原子的位置，因為X射線與氫等輕元素的相互作用非常微弱。

從衍射圖案生成圖像需要復雜的數學，并且通常需要建模和細化的迭代過程。在此過程中，將假設或“模型”結構的數學預測衍射圖案與晶體樣品生成的實際圖案進行比較。理想情況下，研究人員做出幾個初始猜測，通過細化，這些猜測都收斂到同一個答案。模型被改進，直到它們的預測模式在不徹底修改模型的情況下達到盡可能大的程度。這是一個艱苦的過程，如今計算機使這個過程變得容易得多。

分析衍射數據的數學方法僅適用于圖案，而圖案僅在波從有序陣列衍射時產生。因此，晶體學在很大程度上僅適用于晶體，或可用于測量的可誘導結晶的分子。盡管如此，可以從由纖維和粉末產生的圖案中推斷出一定數量的分子信息，雖然它們不像固體晶體那樣完美，但可能表現出一定程度的有序性。這種級別的順序足以推斷簡單分子的結構，或確定更復雜分子的粗略特征。例如，DNA的雙螺旋結構由纖維樣品產生的X射線衍射圖推導出來。

材料科學家使用晶體學來表征不同的材料。在單晶中，原子的晶體排列的影響在宏觀上往往很容易看到，因為晶體的自然形狀反映了原子結構。此外，物理性質通常由結晶缺陷控制。了解晶體結構是了解晶體缺陷的重要前提。大多數情況下，材料不會以單晶形式出現，而是以多晶形式出現（即，作為具有不同取向的小晶體的集合體）。因此，粉末衍射該方法獲取具有大量晶體的多晶樣品的衍射圖案，在結構測定中起著重要作用。

其他物理特性也與晶體學有關。例如，粘土中的礦物質形成小而扁平的板狀結構。粘土很容易變形，因為板狀顆粒可以在板平面內相互滑動，但在垂直于板的方向上仍保持牢固連接。這種機制可以通過晶體結構測量來研究。

在另一個示例中，鐵在加熱時從稱為鐵素體的體心立方(bcc)結構轉變為稱為奧氏體的面心立方(fcc)結構。fcc結構與bcc結構不同，是一種密堆積結構；因此，當這種轉變發生時，鐵的體積會減少。

晶體學可用于相識別。在制造或使用材料時，通常需要了解材料中存在哪些化合物和哪些相，因為它們的組成、結構和比例會影響材料的性能。每個相都有一個特征性的原子排列。X射線或中子衍射可用于確定材料中存在哪些圖案，從而確定存在哪些化合物。晶體學涵蓋了可以由晶體中的原子形成的對稱模式的枚舉，因此與群論有關。

X射線晶體學是確定生物大分子，特別是蛋白質和核酸（如DNA和RNA）的分子構象的主要方法。事實上，DNA的雙螺旋結構是從晶體學數據中推導出來的。大分子的xxx個晶體結構是在1958年解決的，這是通過X射線分析獲得的肌紅蛋白分子的三維模型。所述的蛋白質數據銀行（PDB）是用于蛋白質和其他生物大分子的結構的可自由訪問的存儲庫中。計算機程序，例如RasMol、Pymol或VMD可用于可視化生物分子結構。中子晶體學通常用于幫助細化通過X射線方法獲得的結構或解決特定的鍵；這些方法通常被視為是互補的，因為X射線對電子位置很敏感，對重原子的散射最為強烈，而中子對原子核的位置很敏感，即使對許多輕同位素（包括氫和氘）也有強烈的散射。電子晶體學已被用于確定一些蛋白質結構，最顯著的是膜蛋白和病毒衣殼。