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1912년 독일의 물리학자인 막스 폰 라우에가 X선 회절을 이용하여 결정구조를 밝힐 수 있다고 예측했으며, 같은 해에 W.프리드리히와 P.크니핑에 의해 실험적으로 입증되었고 소위 라우에 방법(Laue method)으로 회절무늬 사진을 촬영했다. 다음해인 1913년 W.로렌스 브래그는 라우에 방법으로 염화나트륨과 염화칼륨의 구조를 분석하고, 결정에 의해 생기는 X선 산란을 간단하게 처리하는 방법(브래그 법칙)을개발했다.

로렌스 브래그의 아버지인 윌리엄 브래그에 의해 고안된 최초의 X선 분광기는 복합파장 X선 복사 대신 단일파장 X선 복사를 사용함으로써 다이아몬드·섬아연석(ZnS)·형석(CaF₂)·황철광(FeF₂) 등의 몇 가지 간단한 결정구조를 밝혀낼 수 있었다. 그 이후 여러 가지 화합물의 복합적인 결정구조도 계속 밝혀냈으며, DNA가 이중나선이라는 이론을 실험적으로 증명하기도 했다.

최근에는 특히 단백질의 3차원적 형태를 연구하여 효소의 활동이나 효소의 활동이 조절되는 메커니즘 등을 연구하는 데 사용되고 있다. 약 0.1㎚(1㎚=10^-9m)가량의 파장을 가진 X선은 실험하고자 하는 물질 속을 통과하면서 그 물질에 존재하는 전자들과 충돌하여 회절된다. 탄소·질소·산소 등 많은 전자를 가지고 있는 원자들은 수소와 같이 작은 원자보다 X선을 더 많이 회절시키기 때문에 탐지하기가 더 용이하다.

사진 필름에 결정체를 통과시켜 회절된 X선을 감광시킨 후 필름에 나타난 회절 양상에서 물질을 구성하고 있는 원자들의 배열을 수학적으로 계산하게 된다. 단순한 무기물의 결정구조와는 달리 단백질의 구조는 매우 복잡하여 이 방법으로 단백질의 원자배열을 연구하는 데는 많은 시간이 소요되며 특히 대형 컴퓨터를 이용한 복잡한 계산을 거쳐야 한다. 더구나 순수 분리된 단백질을 결정 형태로 만드는 과정에 걸리는 시간이 길어서 연구에 어려움을 주고 있다.

그러나 많은 분자의 경우 X선 결정학이 원자의 배열을 알아보는 유용한 연구 수단이므로 이 방법은 현재도 널리 이용되고 있다.