1.電子衍射分析
1927年，戴維孫和革末在觀察鎳單晶表麵對能量為100電子伏的電子束進行散射時，發現了散射束強度隨空間分布的不連續性，即晶體對電子的衍射現象。幾乎與此同時，湯姆遜和裏德用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實驗時，也觀察到了衍射圖樣。電子衍射的發現證實了德布羅意提出的電子具有波動性的設想，形成了量子力學的實驗基礎。
當電子波（具有一定能量的電子）施加到晶體上時，被晶體中的原子散射，各散射電子波之間產生互相幹涉現象。晶體中每個原子均對電子進行散射，使電子改變其方向和波長。在散射過程中，部分電子與原子有能量交換作用，電子的波長發生變化，稱非彈性散射。若無能量交換作用，電子的波長不變，則稱為彈性散射。在彈性散射過程中，由於晶體中原子排列的周期性，各原子所散射的電子波在疊加時互相幹涉，散射波的總強度在空間的分布並不連續，除在某一特定方向外，散射波的總強度為零。
利用衍射分析的方法可以探測晶格類型和晶胞常數。電子衍射和X射線衍射一樣，可以用來做物相鑒定、測定晶體取向和原子位置。由於電子衍射強度遠強於X射線，電子又極易為物體所吸收，因而，電子衍射適合於研究薄膜、大塊物體的表麵以及小顆粒的單晶。此外，在研究由原子序數相差懸殊的原子構成的晶體時，電子衍射較X射線衍射更優越。利用聚束電子衍射的特點是可以用來測定晶體的空間群（晶體的對稱性）。
2.X射線衍射儀
如要確定物質的相結構，則要用到X射線衍射儀（XRD）、電子衍射（ED）及中子衍射（ND）儀。這類儀器的共同的原理是利用電磁波或運動電子束、中子束等與材料內部規則排列的原子作用，產生相幹散射，獲得材料內部原子排列的信息，從而重組出物質的結構。
3.X光譜和電子能譜
材料的成分和價鍵分析手段都基於同一個原理，即核外電子的能級分布反應了原子的特征信息。利用不同的入射波激發核外電子，使之發生層間躍遷，在此過程中產生元素的特征信息。按照射出信號的不同，成分分析手段可以分為兩類：X光譜和電子能譜，發射信號分別是X射線和電子。
X光譜包括X射線熒光光譜（XFS）和電子探計X射線顯微分析兩種技術。電子能譜包括X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）、電子能量損失譜（EELS）等分析手段。
利用電磁波與分子鍵和原子核的作用，可以獲得分子結構信息。紅外光譜（IR）、拉曼光譜（Raman）、熒光光譜（PL）等是利用電磁波與分子鍵作用時的吸收或發射效應，而核磁共振（NMR）則是利用原子核與電磁波的作用來獲得分子結構信息的。
以上各種顯微結構的觀測和測試設備，對於了解物質的微觀結構和各種物理化學參數對材料性能的影響，有非常直觀和重要的作用。我們已經以金屬腐蝕和氫脆為例，對顯微觀測的作用之一有所了解。顯微觀測的一個更重要的應用則是與我們身體檢查密切相關。
§§第四章 見微知著