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晶體學，又稱結晶學，是一門以確定固體中原子（或離子）排列方式為目的的實驗科學。「晶體學」（crystallography）一詞原先僅指對各種晶體性質的研究，但隨着人們對物質在微觀尺度上認識的加深，其詞義已大大擴充。

在X射線衍射晶體學提出之前（介紹見下文），人們對晶體的研究主要集中於晶體的點陣幾何上，包括測量各晶面相對於理論參考坐標系（晶體坐標軸）的夾角，以及建立晶體點陣的對稱關係等等。夾角的測量用測角儀完成。每個晶面在三維空間中的位置用它們在一個立體球面坐標「網」上的投影點（一般稱為投影「極」）表示。坐標網的又根據不同取法分為Wolff網和Lambert網。將一個晶體的各個晶面對應的極點在坐標網上畫出，並標出晶面相應的密勒指數，最終便可確定晶體的對稱性關係。

現代晶體學研究主要通過分析晶體對各種電磁波束或粒子束的衍射圖像來進行。輻射源除了最常用的X射線外，還包括電子束和中子束（根據德布羅意理論，這些基本粒子都具有波動性，參見條目波粒二象性），可以表現出和光波類似的性質）。晶體學家直接用輻射源的名字命名各種標定方法，如X射線衍射（常用英文縮寫XRD），中子衍射和電子衍射。

以上三種輻射源與晶體學試樣的作用方式有很大區別：X射線主要被原子（或離子）的最外層價電子所散射；電子由於帶負電，會與包括原子核和核外電子在內的整個空間電荷分布場發生相互作用；中子不帶電且質量較大，主要在與原子核發生碰撞時（碰撞的概率非常低）受到來自原子核的作用力；與此同時，由於中子自身的自旋磁矩不為零，它還會與原子（或離子）磁場相互作用。這三種不同的作用方式適應晶體學中不同方面的研究。

基本理論

普通顯微成像的原理是利用光學透鏡組匯聚來自待觀測的物體的可見光，進行多次成像放大。然而，可見光的波長通常要遠大於固體中化學鍵的鍵長和原子尺度，難以與之發生物理光學作用，因此晶體學觀測學要選擇波長更短的輻射源，如X射線。但一旦使用短波長輻射源，就意味着傳統的「顯微放大」和「實像拍攝」方法將不能（或難以）應用到晶體學研究中，因為自然界沒有材料能製造出可以匯聚短波長射線的透鏡。所以要研究固體中原子或離子（在晶體學中抽象成點陣）的排列方式，需要使用間接的方法——利用晶格點陣排列的空間周期性。

晶體具有高度的有序性和周期性，是分析固體微觀結構的理想材料。以X射線衍射為例，被某個固體原子（或離子）的外層電子散射的X射線光子太少，構成的輻射強度不足以被儀器檢測到。但由晶體中滿足一定條件（布拉格定律的多個晶面上的原子（或離子）散射的X射線由於可以發生相長干涉，將可能構成足夠的強度，能被照相底片或感光儀器所記錄。

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