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雪花
X射线衍射实验示意图
第一张X光照片
百年晶体学
撰文/孙伟嬿（中国科学院上海硅酸盐研究所） 赵景泰（上海大学）
在自然界中，我们随处都可以看到晶体，例如矿物、宝石、雪花，以及常见的砂糖和盐粒等等。历史上，人们最早是从观察矿物的对称外形和颜色来研究晶体学的。1914年，德国科学家马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）因为发现晶体如何衍射X射线而获得诺贝尔物理学奖，这一发现直接推动了X射线晶体学的出现，迎来了现代晶体学的黎明。
X射线晶体学诞生以后，科学家得以用它来研究原子和原子之间的化学键的连接方式。当X射线照射在物体上时，物质内部的原子就会使X射线发生衍射。我们知道，晶体内部的原子是规则地排列的，因此，X射线经衍射后只会在某些特定的位置上得到加强，而在另一些位置上被减弱，因此会产生有规则的衍射图案。然后，通过精确测量计算，科学家就可以知道样品物质的三维晶格结构。
以石墨和金刚石为例，虽然这两种矿物的主要化学成分都是碳，但是由于它们内部碳原子之间的连接方式不同，造成了二者在物理性质上的巨大差异：石墨不透明，硬度特别低；金刚石透明，而且非常坚硬。这些内部结构上的区别，都是人们通过X射线晶体学的研究才知道的。
作为一门既古老又充满新活力的科学分支，晶体学在这100年间取得了非凡的成就。在这一领域的研究成果，光是获得的诺贝尔奖就有23项，至于以晶体学为基础的其他成果所获奖项，更是数不胜数。晶体学知识的应用（如材料的研发、现代药物设计开发、纳米技术和生物技术发展等）已经成为应对诸如疾病和环境问题等各种挑战的关键手段之一。其影响已经渗透到我们日常生活的方方面面，小到牙膏的配料，大到航空航天器零部件等多种新材料的开发，都会用到晶体学的知识。
有鉴于此，联合国大会通过决议，确定2014年为"国际晶体学年"。2014年，既是现代晶体学成为"确定物质结构的最有力工具"100周年，又是国际晶体学联合会（International Union of Crystallography，IUCr）成立65周年。
晶体学的诞生
自古人类对晶体就情有独钟，常用美丽的天然晶体来装饰自己。只是在近代对晶体的研究才真正成为一门科学。早期，它是矿物学的一个分支，研究对象亦局限于天然矿物晶体，研究内容包括晶体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。19世纪，随着研究范围逐步扩大到矿物以外的各种晶体，晶体学才逐渐从矿物学中脱离出来，成为一门独立的学科。
晶体学又称为结晶学，英文名称是"crystallography"，是从希腊文的"crystallon"(冷滴、冻滴）和"grapho"（书写）而来。后来，它的研究范围又延伸到所有具有一定透明度的固体。
早在两千多年前，古印度人和我国先民已经懂得如何获取结晶糖和盐。后来人们对晶体的内部结构和性能进行了多方面的研究，逐步形成晶体生成学、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，后又发展出X射线晶体学、晶体生长科学。晶体学的发展，不仅使人们更深刻地了解了固态物质的原子构成和组织形态，并且促进许多学科（包括物理化学、生物学、医学等在内）向前发展。
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点阵的几何形状上，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。现代晶体学是一门研究固体原子排列的科学，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。人类发展出了多种实验技术以获取衍射图像，而这为现代晶体学的发展奠定了基础。
发现X射线
谈到现代晶体学的出现和发展，德国科学家伦琴功不可没，正是他首先发现了X射线，而这为现代X射线晶体学奠定了基础。
伦琴发现X射线的故事生动有趣，早已经家喻户晓，伦琴给他夫人拍摄的戴戒指的手骨照片也流传甚广。
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