Produkce rentgenového záření
Existují tři běžné mechanismy produkce rentgenového záření: urychlení nabité částice, atomové přechody mezi diskrétními energetickými hladinami a radioaktivní rozpad některých atomových jader. Každý mechanismus vede k charakteristickému spektru rentgenového záření.
V teorii klasického elektromagnetismu vyzařují urychlující se elektrické náboje elektromagnetické vlny. V nejběžnějším pozemském zdroji rentgenového záření, rentgence, dopadá svazek vysokoenergetických elektronů na pevný terčík. Jak rychle se pohybující elektrony ve svazku interagují s elektrony a jádry atomů terče, jsou opakovaně vychylovány a zpomalovány. Během tohoto prudkého zpomalení vyzařují elektrony svazku bremsstrahlung (německy „brzdné záření“) – spojité spektrum elektromagnetického záření s maximální intenzitou v rentgenové oblasti. Většina energie vyzářené v rentgence je obsažena v tomto spojitém spektru. Daleko výkonnějšími (a daleko většími) zdroji kontinuálního rentgenového záření jsou synchrotronové urychlovače částic a akumulační prstence. V synchrotronu jsou nabité částice (obvykle elektrony nebo pozitrony) urychleny na velmi vysoké energie (obvykle miliardy elektronvoltů) a poté jsou silnými magnety omezeny na uzavřenou dráhu. Když jsou nabité částice vychýleny magnetickými poli (a tedy urychleny změnou směru svého pohybu), vyzařují tzv. synchrotronové záření – kontinuum, jehož intenzita a frekvenční rozložení jsou určeny silou magnetických polí a energií obíhajících částic. Speciálně konstruované synchrotronové zdroje světla se celosvětově používají pro rentgenové studium materiálů.
V rentgenové trubici se kromě spojitého spektra záření emitovaného zpomalujícími elektrony vyskytuje také spektrum diskrétních rentgenových emisních čar, které je charakteristické pro cílový materiál. Toto „charakteristické záření“ je výsledkem excitace cílových atomů srážkami s rychle se pohybujícími elektrony. Nejčastěji srážka nejprve způsobí vyražení pevně vázaného elektronu vnitřního obalu z atomu; volně vázaný elektron vnějšího obalu pak spadne do vnitřního obalu a zaplní volné místo. Při tomto procesu je atomem vyzářen jediný foton s energií rovnající se rozdílu mezi stavem volného místa ve vnitřním a vnějším obalu. Tento energetický rozdíl obvykle odpovídá vlnové délce fotonu v rentgenové oblasti spektra. Charakteristické rentgenové záření může vznikat také z cílového materiálu, pokud je vystaven primárnímu rentgenovému svazku. V tomto případě primární rentgenové fotony iniciují sekvenci elektronových přechodů, které vedou k emisi sekundárních rentgenových fotonů.
V roce 1913 objevil anglický fyzik Henry Moseley jednoduchý vztah mezi vlnovými délkami rentgenových emisních čar z terče a atomovým číslem cílového prvku – vlnové délky jsou nepřímo úměrné kvadrátu atomového čísla. Tento vztah, známý jako Moseleyho zákon, se v počátcích atomové fyziky stal rozhodujícím nástrojem při určování atomových čísel. Rentgenové fluorescenční techniky, při nichž se po excitaci terče zaznamenávají vlnové délky charakteristického rentgenového záření, se nyní běžně používají k identifikaci prvkových složek materiálů.
Rentgenová emise je někdy vedlejším produktem jaderné přeměny. V procesu elektronového záchytu je atomovým jádrem zachycen elektron vnitřního obalu, čímž je iniciována přeměna jaderného protonu na neutron a snížení atomového čísla o jednu jednotku (viz radioaktivita: Typy radioaktivity). Volný orbit vnitřního obalu je pak rychle zaplněn elektronem vnějšího obalu, čímž vzniká charakteristický rentgenový foton. Relaxace excitovaného jádra do stavu s nižší energií také někdy vede k emisi rentgenového fotonu. Fotony emitované při většině jaderných přechodů tohoto typu však mají ještě vyšší energii než rentgenové záření – spadají do oblasti záření gama v elektromagnetickém spektru.
V posledních 50 letech bylo objeveno mnoho astronomických zdrojů rentgenového záření, které dohromady představují bohatý zdroj informací o vesmíru (viz Rentgenové zdroje). Rentgenové záření vyzařuje horká koróna (vnější atmosféra) Slunce a koróny dalších běžných hvězd v Galaxii Mléčné dráhy. Mnoho dvojhvězdných systémů vyzařuje velké množství rentgenového záření; nejsilnější takové zdroje produkují jen v rentgenové oblasti více než tisícinásobek celého energetického výkonu Slunce. Silnými zdroji rentgenového záření jsou také pozůstatky supernov, které jsou někdy spojeny se synchrotronovým zářením produkovaným vysokoenergetickými nabitými částicemi cirkulujícími v intenzivních magnetických polích a někdy s atomovými emisemi z extrémně horkých plynů (v rozsahu 10 milionů kelvinů). Výkonné extragalaktické zdroje rentgenového záření, včetně aktivních galaxií, kvazarů a galaktických kup, jsou v současnosti předmětem intenzivního vědeckého zkoumání; v některých případech jsou přesné mechanismy produkce rentgenového záření stále nejisté nebo neznámé. Protože zemská atmosféra rentgenové záření silně pohlcuje, musí být astronomická pozorování v rentgenové oblasti prováděna z obíhajících družic. Vypuštění rentgenové observatoře Chandra v roce 1999 výrazně posunulo pozorovací možnosti rentgenové astronomie (viz teleskop: rentgenové teleskopy)
.