X射線晶體學(xué)是用于確定晶體的原子和分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)，其中晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致入射X射線束衍射到許多特定方向。通過測(cè)量這些衍射光束的角度和強(qiáng)度，晶體學(xué)家可以產(chǎn)生晶體內(nèi)電子密度的三維圖像。根據(jù)該電子密度，可以確定晶體中原子的平均位置，以及它們的化學(xué)鍵，它們的晶體學(xué)障礙和各種其他信息。
由于許多材料可以形成晶體 - 例如鹽，金屬，礦物，半導(dǎo)體，以及各種無機(jī)，有機(jī)和生物分子 - X射線晶體學(xué)已經(jīng)成為許多科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。在其使用的較初幾十年中，該方法確定了原子的大小，化學(xué)鍵的長(zhǎng)度和類型，以及各種材料（尤其是礦物和合金）之間的原子級(jí)差異。該方法還揭示了許多生物分子的結(jié)構(gòu)和功能，包括維生素，藥物，蛋白質(zhì)和核酸如DNA。 X射線晶體學(xué)仍然是表征新材料的原子結(jié)構(gòu)和通過其他實(shí)驗(yàn)看起來相似的辨別材料的主要方法。 X射線晶體結(jié)構(gòu)還可以解釋材料的不尋常的電子或彈性特性，闡明化學(xué)相互作用和過程，或者作為設(shè)計(jì)抗疾病藥物的基礎(chǔ)。
在單晶X射線衍射測(cè)量中，晶體安裝在測(cè)角儀上。測(cè)角儀用于將晶體定位在選定的方向。用精細(xì)聚焦的單色X射線束照射晶體，產(chǎn)生規(guī)則間隔點(diǎn)的衍射圖案，稱為反射。使用傅里葉變換的數(shù)學(xué)方法將在不同取向下拍攝的二維圖像轉(zhuǎn)換成晶體內(nèi)電子密度的三維模型，并結(jié)合樣品已知的化學(xué)數(shù)據(jù)。如果晶體太小或內(nèi)部構(gòu)造不夠均勻，可能會(huì)導(dǎo)致分辨率（模糊）甚至誤差。
X射線晶體學(xué)與確定原子結(jié)構(gòu)的幾種其他方法有關(guān)。類似的衍射圖案可以通過散射電子或中子產(chǎn)生，其同樣通過傅里葉變換解釋。如果不能獲得足夠大小的單晶，可以應(yīng)用各種其他X射線方法來獲得不太詳細(xì)的信息;這些方法包括纖維衍射，粉末衍射和（如果樣品未結(jié)晶）小角度X射線散射（SAXS）。如果所研究的材料僅以納米晶體粉末的形式獲得或者具有差的結(jié)晶度，則可以應(yīng)用電子晶體學(xué)方法來確定原子結(jié)構(gòu)。
對(duì)于所有上述X射線衍射方法，散射是彈性的;散射的X射線具有與入射X射線相同的波長(zhǎng)。相比之下，非彈性X射線散射方法可用于研究樣品的激發(fā)，如等離子體激元，晶體場(chǎng)和軌道激發(fā)，磁子和聲子，而不是原子的分布。