Produktion af røntgenstråler
Der er tre almindelige mekanismer til produktion af røntgenstråler: acceleration af en ladet partikel, atomare overgange mellem forskellige energiniveauer og radioaktivt henfald af visse atomkerner. Hver mekanisme fører til et karakteristisk spektrum af røntgenstråling.
I teorien om klassisk elektromagnetisme udsender accelererende elektriske ladninger elektromagnetiske bølger. I den mest almindelige jordiske kilde til røntgenstråling, røntgenrøret, rammer en stråle af højenergi-elektroner et fast mål med en stråle af højenergi-elektroner. Når de hurtigt bevægende elektroner i strålen interagerer med målatomernes elektroner og atomkerner, bliver de gentagne gange afbøjet og bremset. Under denne pludselige opbremsning udsender stråleelektronerne bremsstrahlung (tysk: “bremsestråling”) – et kontinuerligt spektrum af elektromagnetisk stråling med en maksimal intensitet i røntgenområdet. Det meste af den energi, der udstråles i et røntgenrør, er indeholdt i dette kontinuerlige spektrum. Langt kraftigere (og langt større) kilder til et kontinuum af røntgenstråling er synkrotronpartikelacceleratorer og lagringsringe. I en synkrotron accelereres ladede partikler (normalt elektroner eller positroner) til meget høje energier (typisk milliarder af elektronvolt), hvorefter de begrænses til en lukket bane af stærke magneter. Når de ladede partikler afbøjes af magnetfelterne (og dermed accelereres via ændringen af deres bevægelsesretning), udsender de såkaldt synkrotronstråling – et kontinuum, hvis intensitet og frekvensfordeling bestemmes af styrken af magnetfelterne og energien af de cirkulerende partikler. Specielt konstruerede synkrotronlyskilder anvendes verden over til røntgenundersøgelser af materialer.
I et røntgenrør er der ud over det kontinuerlige spektrum af stråling, der udsendes af de decelererende elektroner, også et spektrum af diskrete røntgenemissionslinjer, som er karakteristisk for målmaterialet. Denne “karakteristiske stråling” er et resultat af excitationen af målatomerne ved kollisioner med de hurtigt bevægende elektroner. Oftest forårsager en kollision først, at en fast bundet elektron fra den indre skal kastes ud af atomet; en løst bundet elektron fra den ydre skal falder derefter ind i den indre skal for at udfylde den ledige plads. I denne proces udsendes en enkelt foton af atomet med en energi svarende til forskellen mellem den indre og den ydre skalles tomrumstilstand. Denne energiforskel svarer normalt til fotonbølgelængder i røntgenområdet af spektret. Karakteristisk røntgenstråling kan også produceres fra et målmateriale, når det udsættes for en primær røntgenstråle. I dette tilfælde sætter de primære røntgenfotoner gang i den sekvens af elektronovergange, der resulterer i udsendelse af sekundære røntgenfotoner.
I 1913 opdagede den engelske fysiker Henry Moseley en simpel sammenhæng mellem bølgelængderne af røntgenemissionslinjerne fra et mål og atomnummeret for målelementet – bølgelængderne er omvendt proportionale med kvadratet på atomnummeret. Denne sammenhæng, der er kendt som Moseley’s lov, viste sig at være et afgørende redskab til bestemmelse af atomnumre i atomfysikkens tidlige dage. Røntgenfluoresensteknikker, hvor bølgelængderne af karakteristiske røntgenstråler registreres efter excitering af et mål, anvendes nu almindeligvis til at identificere materialers elementære bestanddele.
Røntgenemission er undertiden et biprodukt af en nuklear transformation. Ved elektronindfangning indfanges en atomar elektron i den indre skal af atomkernen, hvilket indleder omdannelsen af en kerneproton til en neutron og sænker atomnummeret med en enhed (se radioaktivitet: Typer af radioaktivitet). Den ledige bane i den inderste hylde udfyldes derefter hurtigt af en elektron i den yderste hylde, hvorved der produceres en karakteristisk røntgenfoton. Relaksation af en exciteret kerne til en lavere energitilstand resulterer også undertiden i udsendelse af en røntgenfoton. De fotoner, der udsendes ved de fleste kerneovergange af denne type, har dog en endnu højere energi end røntgenstråler – de falder ind under gammastråleregionen i det elektromagnetiske spektrum.
Mange astronomiske kilder til røntgenstråler er blevet opdaget i løbet af de sidste 50 år; tilsammen udgør de en rig kilde til information om universet (se Røntgenkilder). Røntgenstråler udsendes af Solens varme korona (ydre atmosfære) og af koronerne fra andre almindelige stjerner i Mælkevejsgalaksen. Mange binære stjernesystemer udsender rigeligt med røntgenstråler; de stærkeste af disse kilder producerer alene i røntgenområdet mere end 1.000 gange hele Solens energiproduktion. Supernova-rester er også stærke kilder til røntgenstråling, som undertiden er forbundet med synkrotronstråling fra højenergiladede partikler, der cirkulerer i intense magnetfelter, og undertiden med atomare emissioner fra ekstremt varme gasser (i størrelsesordenen 10 millioner kelvin). Kraftige ekstragalaktiske kilder til røntgenstråling, herunder aktive galakser, kvasarer og galaktiske klynger, er i øjeblikket genstand for en intens videnskabelig undersøgelse; i nogle tilfælde er de nøjagtige mekanismer for produktionen af røntgenstråling stadig usikre eller ukendte. Da Jordens atmosfære absorberer røntgenstråler kraftigt, må astronomiske observationer i røntgenområdet foretages fra satellitter i kredsløb. Opsendelsen af Chandra X-Ray Observatory i 1999 gav store fremskridt i observationsmulighederne inden for røntgenastronomien (se teleskop: Røntgenteleskoper).