basit atomik düzenlemeler
içeren kristallerle daha iyi sonuç verir. Laue geri yansıma modu geniş tayf
kaynağından geriye doğru saçılmış X-ışınlarını kaydeder. Bu numunenin içinden
X-ışının geçip yayılamayacak kadar kalın olması halinde faydalıdır. Kristaldeki
kırıcı düzlemler, kırıcı düzleme normal gelen olay anı ışını ve kırıcı düzlem
arasında açıyı ikiye böldüğü bilinerek tespit edilir. Greninger şeması Laue
fotoğraf geri yansımasını yorumlamak için kullanılabilir.

Elektron ve nötron
gibi diğer partiküller kırılma modeli üretmek için kullanılabilir. Elektron,
nötron ve saçılan X-ışını farklı fiziksel işlemlere dayalı olsa da, ortaya
çıkan kırılıp saçılma modelleri aynı uyumlu difraksiyon görüntüleme
tekniklerini kullanarak analiz edilebilir.

Aşağıda çıkarımda
bulunulduğu gibi, kristal içindeki elektron yoğunluğu ve difraksiyon modelleri
basit bir matematiksel metotla, Fourier dönüşümü, ilişkilendirilir; bu da
yoğunluğun modellerden nispeten kolay hesaplanmasına izin verir. Ancak, bu
saçılmanın zayıf olması durumunda; yani, saçılmış ışınların gelen ışından çok
daha az yoğun olduğunda gerçekleşir. Zayıfça dağılmış ışınlar ikinci kez
dağılma olayına girmeksizin kristal kalıntısının içinden geçer. Bu tür tekrar
saçılmış dalgalara “ikincil saçılma” denir ve analizi zorlaştırır. Herhangi bir
yeterince kalın kristal ikincil saçılmayı üretir, fakat X-ışınlarının
elektronlarla kendi aralarında nispeten zayıfça etkileşmesinden dolayı, bu
genel olarak önemli bir ilgi alanı değildir. Aksine, elektron ışınları hatta
nispeten ince kristaller için (>100 nm) bile kuvvetli ikincil saçılmayı
üretebilir. Bu kalınlık birçok virüsün çapına denk geldiği için, gelişen yön
viral kapsids ve moleküler makineler gibi tecrit edilmiş makromoleküler
birleşimlerin elektron difraksiyonudur, ki bu da kiroelektron mikroskopu ile
gerçekleştirilebilir. Ayrıca, elektronların madde ile birbirleri arasında
kuvvetli etkileşimi (X-ışınlarına göre yaklaşık 1000 kat daha kuvvetlidir)
oldukça küçük hacimlerdeki atomik yapının tespitine izin verir. Elektron
kristalografisi için uygulamalar alanı organik ince filmler üzerindeki zar
proteinleri gibi biyo moleküllerden (nanokristalin) kendi aralarında metalik
bileşikler ve zeolitlerin kompleks yapılarına kadar bir alanı kapsar.

Nötron difraksiyonu,
yeterli miktarlarda nötronun yoğun, monokromatik ışınlarının elde edilmesi zor
olmasına rağmen, yapı tespiti için mükemmel bir metottur. Yeni Spallasyon
Nötron Kaynağı gelecek için ümit vaat etse de, geleneksel olarak nükleer
reaktörler kullanılmıştır. Sarj edilmediği için, nötronlar elektronlara göre
atomik çekirdekten daha fazla saçılılar. Bu yüzden, saçılan nötron X-ray
difraksiyonunda temel olarak gözlenemeyen, özellikle hidrojen gibi çok az
sayıda elektronlu hafif atomların pozisyonlarını gözlemlemek için çok
faydalıdır. Nötron saçılması çok belirgin özelliğe sahiptir ki normal su H2O ve
ağır su D20 oranlarının ayarlanmasıyla çözücü görünmez yapılabilir.

Sinkrotron Radyasyonu
yeryüzündeki en parlak ışıklardan biridir. X-ray kristalografçılarının elde
edebildiği en güçlü tek vasıtadır. Sinkrortron adı verilen büyük makinelerde
üretilen X-ışınlarından yapılır. Bu makineler elektriksel olarak şarj edilmiş partiküller,
genellikle elektronları, neredeyse ışık hızına kadar hızlandırır, daha sonra
onlara büyük içi boş metal bir halkanın etrafından kamçılar.

Sinkrotronlar ilk
olarak kozmik olguları ve alt-atomik partikülleri inceleyen yüksek enerji
fizikçileri için dizayn edilmiştir. Her bir sinktrotronun en büyük parçası onun
elekktron depolama halkasıdır. Bu halka aslında mükemmel bir daire değildir,
fakat çok yönlü bir poligondur. Poligonun her bir köşesinde yeri aynı hizada
kesin olarak belirlenmiş mıknatıslar elektron akımını onu halkanın içinde
kalmaya zorlayarak bükerler. Her defasında, elektronların yolu bükülür ve
elektromanyetik radyasyon şeklinde enerji patlaması yayarlar. Sinkrotron
içindeki partiküller neredeyse ışık hızında hareket edip hızlıca düştükleri
için, yüksek enerjili X-ışınları içeren yoğun radyasyon yayarlar.

X-ışını kristalografisinin en eski ve en kesin yöntemi, bir X-ışını huzmesinin tek bir kristale çarparak dağılmış huzmeler ürettiği tek-kristal X-ışını kırınımıdır. Bu huzmeler bir film parçası ya da başka bir dedektörün üzerine ulaştığında noktalardan oluşan bir kırınım örüntüsü oluştururlar; kristal kademeli olarak döndürüldükçe bu huzmelerin kuvvetleri ve açıları kaydedilir. Her noktaya bir yansıma denir, çünkü her nokta kristalin içinde eşit aralıklarla bulunan bir düzlem kümesinden gelen X-ışını yansımasına karşılık gelir. Yeterli saflık ve düzenlilikteki tek kristaller için, X-ışını kırımı verileri ortalama kimyasal bağ uzunluk ve açılarını sırasıyla bir angstromun birkaç binde biri ve bir derecenin birkaç onda biri içerisi kesinlikte belirleyebilir. Bir kristalin içindeki atomlar statik değildir; fakat ortalama pozisyonları civarında genellikle bir angstromun onda birinden az miktarda salınım yaparlar. X-ışını kristalografisi bu salınımın boyutunu da ölçmeye imkan sağlar.

Tek-kristal X-ışını kristalografisinin
üç temel adımı vardır. Birinci ve çoğunlukla en güç adım incelenecek materyalin
yeterli bir kristalini elde etmektir. Kristal yeterince büyük (tüm boyutları
0.1mm den büyük), kompozisyonu saf ve yapısı düzenli olmalı, çatlama ya da
ikizlenme gibi iç kusurları bulunmamalıdır.

İkinci adımda kristal düzgün yansıma
paterni üreten, genellikle tek bir dalga boyundaki (monokromatik X-ışını) yoğun
bir X-ışını huzmesine yerleştirilir. Kristal kademeli olarak döndürülürken önceki
yansımalar kaybolur ve yenileri görünür; kristalin her yöneliminde her noktanın
yoğunluğu kaydedilir. Her set kristalin tam dönüşünün yarısından biraz
fazlasını kapsayacak ve tipik olarak on binlerce yansımayı içerecek şekilde
çoklu veri setlerinin toplanması gerekebilir.

Üçüncü adımda, kristalin içindeki
atomların dizilişinin bir modelini üretmek ve geliştirmek için bu veriler
tamamlayıcı kimyasal bilgilerle sayısal olarak birleştirilir. Atom dizilişinin
en son geliştirilmiş hali (şimdi buna kristal yapısı denir) genellikle herkese
açık bir veri tabanında saklanır.

Kristalin tekrarlayan birimi, birim
gözesi daha büyük ve daha karmaşık olduğunda, belirli bir sayıdaki gözlemlenmiş
yansıma için X-ışını kristalografisinin sağladığı atom-seviyesi resmi daha
düşük çözünürlükte (daha "bulanık") olur. X-ışını kristalografisinin
iki sınırlayıcı durumu -"küçük molekül" ve "makromoleküler"
kristalografi- sıkça ayırt edilmiştir. Küçük molekül kristalografisi tipik
olarak asimetrik biriminde 100'den az atom içeren kristalleri içerir; bu
kristal yapıları genellikle öyle iyi çözünürlüktedir ki atomlar elektron
yoğunluğu içinde yalıtılmış "damla" halinde ayırt edilebilir. Bunun
aksine, makromoleküler kristalografi çoğunlukla birim gözede on binlerce atom içerir.
Bu tür kristal yapıları genellikle daha düşük çözünürlükte (daha
"bulaşmış") olur; atomlar ve kimyasal bağlar yalıtılmış atomlardan
çok elektron yoğunluğu tüpleri halinde görünür. Genelde, küçük moleküller
makromoleküllerden daha kolay kristalize olur; bununla birlikte X-ışını
kristalografisinin yüz binlerce atomu olan virüsler için bile mümkün olduğu
kanıtlanmıştır.

Kristalografinin saf olmayan ya da
düzensiz bir kristaldeki bozukluğu tanımlamada kullanılabilmesine rağmen,
kristalografi atomların karmaşık bir dizisinin yapısını çözmek için genellikle
yüksek düzenlilikte bir kristal gerektirir. Saf, düzenli kristaller bazen
metal, mineral, ve başka makroskopik materyal örnekleri gibi doğal ya da
sentetik malzemelrden elde edilebilir. Bu tür kristallerin düzenliliği bazen
makromoleküler tavlama ve diğer yöntemlerle iyileştirilebilir. Bununla
birlikte, pek çok durumda, kırınımı-kaliteli bir kristal temini onun
atomik-çözünüm yapısını çözmede en büyük engeldir.

Küçük-molekül ve makromoleküler
kristalografi kırınımı-kaliteli kristaller üretmede kullanılması mümkün teknikler
çeşitliliğinde farklılık gösterirler. Küçük moleküller genellikle birkaç
derecelik konformasyon serbestliğine sahiptirler ve kimyasal buhar tortulaşması
ve yeniden kristalleştirme gibi geniş bir dizi yöntemle
kristalleştirilebilirler. Bunun aksine, mKromoleküller genellikle çok sayıda
serbestlik derecesine sahiptirler ve bunların kristalleşmesi sabit bir yapıyı
sürdürecek şekilde yürütülmelidir. Örneğin proteinler ve daha büyük RNA
molekülleri üçüncül yapıları açılmadıkça kristalleştirilemez, bundan
dolayıkristalleşme koşulları çeşitliliği moleküllerin içinde katlanmış halde
bulunduğu solüsyon koşulları ile sınırlıdır.

Protein kristalleri hemen hemen daima
solüsyonda büyütülür. En yaygın yaklaşım moleküllerinin erirliğini kademeli
olarak azaltmaktır; eğer bu çok hızlı yapılırsa moleküller solüsyonda çökelir,
kabın dibinde yararsız bir toz ya da amorf bir jel oluşturur. Solüsyonda
kristal büyütme iki adımla karakterize edilir: mikroskobik bir kristalitin
(muhtemelen yalnızca 100 molekülü olan) çekirdeklenmesi, ardından bu
kristalitin idealde kırınım kalitesinde bir kristale dönüşerek büyümesi.
Birinci adıma (çekirdeklenme) uygun olan solüsyon koşulları her zaman ikinci
adıma (sonraki büyüme) uygun koşullarla aynı olmaz. Kristalografiyi yapanın
amacı tek bir büyük kristalin gelişimine uygun solüsyon koşullarını
belirlemektir, çünkü büyük kristaller molekülün daha iyi çözünürlüğünü sunar.
Sonuç olarak, solüsyon birinci adıma (çekirdekleşme) değil ikinci adıma
(büyütme) uygun olmalıdır, böylece her damlacık başına bir büyük kristal
oluşur. Eğer çekirdekleşme koşulları çok fazla uygun olursa damlacıkta bir
büyük kristal yerine bir yığın küçük kristalit oluşacaktır; eğer çok az uygun
olursa herhangi bir kristal oluşmaz.

Çekirdekleşme ya da düzenli kristaller
büyütme için iyi koşulları kestirmek son derece zordur. Uygulamada, istenşlen
koşullar eleme ile belirlenir; çok geniş bir molekül yığını hazırlanır ve geniş
bir kristalleştirme solüsyonu çeşitliliği test edilir. Başarılı olanı bulana
kadar genellikle yüzlerce, hatta binlerce solüsyon