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결정학은 결정의 기하학적 형태와 내부구조에 관해 연구하는 분야이다. 광물은 보통 결정체이므로, 결정학은 광물학의 필수적인 분야이다. 야외에서는 반사측각기(反射測角器)로 결정면 사이의 각도를 측정하여 광물이 속해 있는 결정계를 결정한다.

결정의 내부구조를 연구할 경우에는 X선 회절분석기를 이용한다. X선 회절분석기는 X선이 광물표본을 통해 진행할 때 일정한 각도로 회절하는 현상을 이용하는 분석기기이다. 회절된 X선의 경로는 사진 필름에 기록되며, 필름 위에 나타난 회절선의 위치와 강도는 특정한 형태를 나타낸다. 모든 광물은 고유한 회절 형태를 갖고 있으므로, 결정학자는 광물의 결정구조뿐만 아니라 광물의 종류도 알아낼 수 있다.

마그마 같은 복잡한 물질이 정출(晶出)되어 화성암을 형성할 경우, 광물을 구성하는 입자들이 함께 성장하거나 서로 간섭하므로 결정형을 가지지 못하는 경우도 있다. 그러한 암석 내의 광물을 연구하기 위해 광물학자들은 암석을 약 0.03㎜ 두께로 얇게 간 암석 박편(薄片)을 만들어, 편광현미경을 이용하여 관찰한다. 편광현미경 내부에는 광선을 편광시키기 위한 2개의 편광판이 내장되어 있다.

암석이 결정체인 경우 암석의 주구성광물은 일정 배율하에서 투과광에 의해 나타나는 특징적인 광학적 성질로 결정되며, 이로 인해 서로 구별된다.

금속원소의 함량이 높은 불투명광물은 표면을 광택이 나게 연마한 연마편(硏磨片)을 만들어 반사광 아래에서 관찰하여 구별한다. 반사광 아래에서의 현미경 관찰은 금속광석광물(金屬鑛石鑛物)의 연구에도 응용된다. 그러나 편광현미경의 관찰하한선은 눈으로 구별할 수 있는 정도로, 직경이 0.0005㎜ 이하인 입자는 구별할 수 없다.

더 고배율이 필요할 경우, 광물 입자직경을 수만 배 확대한 상(像)을 보여주는 전자현미경을 이용한다.