结晶学，又称晶体学，是研究矿物晶体的生成和变化的科学，研究内容包括外部形态的几何性质、化学组成和内部结构、物理性质以及它们相互之间的关系等。
中文名结晶学
又称晶体学
研究内容包括外部形态的几何性质
研究矿物晶体的生成、变化的科学
简介
中文名：结晶学 英文名：crystallography
这门科学进一步形成晶体生成学、 几何结晶学、 晶体结构学、 晶体化学、 晶体物理学及数学结晶学等分支。结晶学阐明 晶体各个方面的性质和规律，可用来指导对晶体的利用和人工培养。
研究晶体的外部形貌、化学组成、内部结构、物理性质、生成和变化，以及它们相互间关系的一门科学。
早期只是作为 矿物学的一个分支，其研究对象亦局限于天然的矿物晶体。19世纪，研究范围逐步扩大到矿物以外的各种晶体，结晶学才逐渐脱离矿物学而成为一门独立的学科。
主要分支
现代结晶学主要包括以下几分支：
（1）晶体生成学（crystallogeny）：研究天然及 人工晶体的发生、成长和变化的过程与机理，以及控制和影响它们的因素。
（2）几何结晶学（gometrical crystallography）：研究晶体外表几何面体的形状及其间的规律性。
（3） 晶体结构学（crystallology）：研究晶体内部结构中质点排而的规律性，以及晶体结构的不完善性。
（4）晶体化学（crystallochemistry, 亦称结晶化学）：研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体的物理、化学性质间关系的规律性。
（5）晶体物理学（crystallophysics）：研究晶体的各项 物理性质及其产生的机理。
研究
在 X射线衍射晶体学提出之前，人们对晶体的研究主要集中于晶体的 点阵几何上，包括测量各 晶面相对于理论参考坐标系（晶体坐标轴）的夹角，以及建立晶体点阵的对称关系等等。夹角的测量用 测角仪完成。每个晶面在三维空间中的位置用它们在一个立体球面坐标“网”上的投影点（一般称为投影“ 极”）表示。坐标网的又根据不同取法分为Wolff网和Lambert网。将一个晶体的各个晶面对应的极点在坐标网上画出，并标出晶面相应的 密勒指数（Miller Indices），最终便可确定晶体的对称性关系。
现代晶体学研究主要通过分析晶体对各种电磁波束或粒子束的 衍射图像来进行。辐射源除了最常用的 X射线外，还包括电子束和中子束（根据 德布罗意理论，这些基本粒子都具有 波动性，可以表现出和光波类似的性质）。晶体学家直接用辐射源的名字命名各种标定方法，如 X射线衍射（常用英文缩写XRD）， 中子衍射和 电子衍射。
以上三种辐射源与晶体学 试样的作用方式有很大区别：X射线主要被原子（或离子）的最外层 价电子所散射；电子由于带负电，会与包括原子核和核外电子在内的整个空间电荷分布场发生 相互作用；中子不带电且质量较大，主要在与原子核发生碰撞时（碰撞的概率非常低）受到来自原子核的作用力；与此同时，由于中子自身的自旋 磁矩不为零，它还会与原子（或离子）磁场相互作用。这三种不同的作用方式适应晶体学中不同方面的研究。
基本理论
普通显微成像的原理是利用光学透镜组汇聚来自待观测的物体的 可见光，进行多次成像放大。然而，可见光的波长通常要远大于固体中 化学键的键长和原子尺度，难以与之发生 物理光学作用，因此晶体学观测学要选择波长更短的辐射源，如X射线。但一旦使用短波长辐射源，就意味着传统的“显微放大”和“实像拍摄”方法将不能（或难以）应用到晶体学研究中，因为自然界没有材料能制造出可以汇聚短波长射线的透镜。所以要研究固体中原子或离子（在晶体学中抽象成 点阵）的排列方式，需要使用间接的方法——利用晶格点阵排列的空间周期性。
晶体具有高度的有序性和周期性，是分析固体微观结构的理想材料。以X射线衍射为例，被某个固体原子（或离子）的外层电子散射的X射线光子太少，构成的 辐射强度不足以被仪器检测到。但由晶体中满足一定条件（ 布拉格定律，Bragg's law）的多个晶面上的原子（或离子）散射的X射线由于可以发生相长干涉，将可能构成足够的强度，能被照相底片或 感光仪器所记录。
各种表示方法
主条目：密勒指数
晶体中的 晶向用 方括号括起的三个最小 互质坐标值来标出，譬如： [100]；
在对称操作中等价的一组晶向称为 晶向族，用 尖括号括起的三个最小互质坐标值来标出，譬如 < 100 > 。在正方晶系中，上述晶向族中包含的晶向有六个晶向；
晶面的密勒指数用 圆括号括起，如 (100)。在正方晶系中，(hkl) 晶面垂直于 [hkl] 晶向；
与晶向族的定义类似，在对称操作中等价的一组晶面称为 晶面族，用 花括号括起，如 {100} 。
实验技术
晶体学研究的某些材料，如蛋白质，在 自然状态下并非晶体。培养蛋白质或类似物质晶体的典型过程，是将这些物质的水溶液静置数天、数周甚至数月，让它通过蒸发、扩散而结晶。通常将一滴溶有待结晶物质分子、 缓冲剂和 沉淀剂的水溶液置于一个放有 吸湿剂的密封容器内，随着水溶液中的水慢慢蒸发，被吸湿剂吸收，水溶液浓度缓慢增加，溶质就可能形成较大的结晶。如果溶液的浓度增加速度过快，析出的溶质则为大量取向随机的微小颗粒，难以进行研究。
晶体获得后，便可以通过衍射方法对其进行研究。尽管当今许多大学和科研单位均使用各种小型X射线源进行晶体学研究，但理想的X射线源却是通常体积庞大的同步加速器（ 同步辐射光源）。同步辐射X射线 波谱宽、强度和准直度极高，应用于晶体学研究可大大提高精确度和研究效率。
从晶体的衍射花样推测晶体结构的过程称为 衍射花样的标定，涉及较繁琐的数学计算，常常要根据和衍射结果的比较对模型进行反复的修改（该过程一般称为modeling and refinement）。在这个过程中，晶体学家要计算出可能晶格结构的衍射花样，并与实际得到的花样进行对比，综合考虑各种因素后进行多次筛选和修正，最终选定一组（通常不止一种）与实验结果最大程度吻合的猜测作为推测的结果。这是一个异常繁琐的过程，但如今由于电脑的广泛应用，标定工作已经大大简化了。
除上述针对晶体的衍射分析方法外，纤维和 粉末也可以进行衍射分析。这类试样虽然没有 单晶那样的高度周期性，但仍表现出一定的有序度，可利用衍射分析得到其内部分子的许多信息。譬如， DNA分子的双螺旋结构就是基于对纤维试样的X射线衍射结果的分析而提出，最终得到验证的。
在材料科学中的应用
晶体学是 材料科学家常常使用的研究工具。若所要研究物质为 单晶体，则其原子排布结构直接决定了晶体的外形。另外，结晶材料的许多物理性质都极大地受到晶体内部 缺陷（如杂质原子、 位错等等）的影响，而研究这些缺陷又必须以研究晶体结构作为基础。在多数情况下，研究的材料都是 多晶体，因此粉末衍射在确定材料的微观结构中起着极其重要的作用。
除晶体结构因素外，晶体学还能确定其他一些影响 材料物理性质的因素。譬如：粘土中含有大量细小的鳞片状矿物颗粒。这些颗粒容易在自身平面方向作相对滑动，但在垂直自身平面的方向则极难发生 相对运动。这些机制可以利用晶体学中的 织构测量进行研究。
晶体学在材料科学中的另一个应用是 物相分析。材料中不同化学成分或同一种化学成分常常以不同物相的形式出现，每一相的 原子结构和物理性质都不相同，因此要确定或涉及材料的性质，相分析工作十分重要。譬如， 纯铁在加热到912℃时，晶体结构会发生从体心立方（body-centered cubic，简称bcc）到面心立方（face-centered cubic，简称fcc）的相转变，称为 奥氏体转变。由于面心立方结构是一种密堆垛结构，而体心立方则较松散，这解释了铁在加热过912℃后体积减小的现象。典型的相分析也是通过分析材料的X射线衍射结果来进行的。
晶体学理论涉及各种空间点阵对称关系的 枚举，因此常需借助数学中的 群论进行研究。
在生物学中的应用
X射线晶体学是确定 生物大分子，尤其是蛋白质和核酸（如 DNA、 RNA） 构象的主要方法。DNA分子的双螺旋结构就是通过晶体学实验数据发现的。1958年，科学家（Kendrew, J.C. et al.）首次通过研究生物大分子的晶体结构，利用X射线分析方法得到了肌红蛋白分子的空间模型（ Nature 181, 662–666）。 如今，研究人员已建立起了蛋白质数据库（Protein Data Bank， PDB），将已测明的蛋白质和其他生物大分子的结构供人们免费查询。利用 蛋白质结构分析软件RasMol，还可对数据进行可视化。
中子射线晶体学可以与X射线晶体学互补，获得X射线晶体学中经常缺失的生物大分子氢原子位置的信息。
电子晶体学应用在某些蛋白质，如膜蛋白（membrane protein）和病毒壳体蛋白（viral capsid）结构的研究中。
相关科学家
唐·克雷格·威利
勒内·茹斯特·阿羽依
威廉·哈洛斯·密勒
奥古斯特·布拉菲
威廉·亨利·布拉格
威廉·劳伦斯· 布拉格
罗伯特·胡伯
多萝西·克劳福特·霍奇金
马克斯·佩鲁兹
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