A röntgensugárzás előállítása
A röntgensugárzás előállításának három általános mechanizmusa van: egy töltött részecske gyorsulása, atomi átmenetek diszkrét energiaszintek között, és egyes atommagok radioaktív bomlása. Mindegyik mechanizmus a röntgensugárzás jellegzetes spektrumához vezet.
A klasszikus elektromágnesesség elméletében a gyorsuló elektromos töltések elektromágneses hullámokat bocsátanak ki. A röntgensugárzás legelterjedtebb földi forrásában, a röntgencsőben nagy energiájú elektronok sugara csapódik egy szilárd céltárgyba. Ahogy a sugárnyaláb gyorsan mozgó elektronjai kölcsönhatásba lépnek a céltárgy atomjainak elektronjaival és atommagjaival, többszörösen eltérülnek és lelassulnak. E hirtelen lassulás során a sugár elektronjai bremsstrahlungot (németül: “fékezési sugárzás”) bocsátanak ki – az elektromágneses sugárzás folyamatos spektrumát, amelynek intenzitáscsúcsa a röntgentartományban van. A röntgencsőben kisugárzott energia nagy részét ez a folyamatos spektrum tartalmazza. A folyamatos röntgensugárzás sokkal erősebb (és sokkal nagyobb) forrásai a szinkrotron részecskegyorsítók és a tárológyűrűk. A szinkrotronban a töltött részecskéket (általában elektronokat vagy pozitronokat) nagyon nagy energiára (általában több milliárd elektronvoltra) gyorsítják, majd erős mágnesek segítségével zárt pályára zárják őket. Amikor a töltött részecskéket a mágneses terek eltérítik (és így mozgásirányuk megváltozása révén felgyorsítják), úgynevezett szinkrotron sugárzást bocsátanak ki – egy olyan kontinuumot, amelynek intenzitását és frekvenciaeloszlását a mágneses terek erőssége és a keringő részecskék energiája határozza meg. A speciálisan kialakított szinkrotron fényforrásokat világszerte használják anyagok röntgensugaras vizsgálatára.
A röntgencsőben a lassuló elektronok által kibocsátott sugárzás folyamatos spektruma mellett a célanyagra jellemző, diszkrét röntgensugárzási vonalak spektruma is megjelenik. Ez a “jellegzetes sugárzás” a célatomoknak a gyorsan mozgó elektronokkal való ütközésekkel történő gerjesztéséből származik. Leggyakrabban az ütközés hatására először egy szorosan kötött belső héjú elektron kilökődik az atomból; ezután egy lazán kötött külső héjú elektron esik a belső héjba, hogy kitöltse az üres helyet. A folyamat során az atom egyetlen fotont bocsát ki, amelynek energiája megegyezik a belső héj és a külső héj üres állapota közötti különbséggel. Ez az energiakülönbség általában a spektrum röntgensugaras tartományában található foton hullámhosszának felel meg. Jellegzetes röntgensugárzás akkor is keletkezhet egy célanyagból, ha azt primer röntgensugárnak teszik ki. Ebben az esetben az elsődleges röntgenfotonok indítják el az elektronátmenetek sorozatát, amelyek a másodlagos röntgenfotonok kibocsátását eredményezik.
1913-ban Henry Moseley angol fizikus felfedezett egy egyszerű összefüggést egy céltárgy röntgensugárzási vonalainak hullámhossza és a célelem atomszáma között – a hullámhossz fordítottan arányos az atomszám négyzetével. Ez a Moseley-törvény néven ismert összefüggés az atomfizika kezdeti időszakában meghatározó eszköznek bizonyult az atomszámok meghatározásában. A röntgenfluoreszcencia technikákat, amelyek során a céltárgy gerjesztését követően a jellegzetes röntgensugarak hullámhosszát rögzítik, ma már általánosan használják az anyagok elemi összetevőinek azonosítására.
A röntgensugárzás néha egy nukleáris átalakulás mellékterméke. Az elektronbefogás során egy belső héjú atomi elektront fog be az atommag, ami a mag protonjának neutronná való átalakulását indítja el, és egy egységgel csökkenti az atomszámot (lásd radioaktivitás: A radioaktivitás fajtái). A megüresedett belső héjpályát ezután gyorsan betölti egy külső héjú elektron, és egy jellegzetes röntgenfoton keletkezik. A gerjesztett atommag alacsonyabb energiájú állapotba történő relaxációja néha szintén röntgenfoton kibocsátását eredményezi. A legtöbb ilyen típusú magátmenet során kibocsátott fotonok azonban még a röntgensugárzásnál is nagyobb energiájúak – az elektromágneses spektrum gamma-sugárzás tartományába tartoznak.
A röntgensugárzás számos csillagászati forrását fedezték fel az elmúlt 50 évben; ezek együttesen gazdag információforrást jelentenek a világegyetemről (lásd röntgenforrások). Röntgensugárzást bocsát ki a Nap forró koronája (külső légköre) és a Tejútrendszer-galaxis más közönséges csillagainak koronája. Sok kettős csillagrendszer bőséges röntgensugárzást bocsát ki; a legerősebb ilyen források csak a röntgentartományban a Nap teljes energiakibocsátásának több mint 1000-szeresét bocsátják ki. A szupernóva-maradványok szintén erős röntgensugárzási források, amelyek néha az intenzív mágneses mezőben keringő nagyenergiájú töltött részecskék által keltett szinkrotron sugárzással, néha pedig a rendkívül forró (10 millió kelvin tartományba eső) gázok atomkibocsátásával állnak kapcsolatban. A röntgensugárzás erőteljes extragalaktikus forrásai, beleértve az aktív galaxisokat, a kvazárokat és a galaktikus halmazokat, jelenleg intenzív tudományos vizsgálat tárgyát képezik; néhány esetben a röntgensugárzás keletkezésének pontos mechanizmusa még mindig bizonytalan vagy ismeretlen. Mivel a Föld légköre erősen elnyeli a röntgensugárzást, a röntgentartományban a csillagászati megfigyeléseket keringő műholdakról kell végezni. A Chandra Röntgenobszervatórium 1999-es indítása nagyban előmozdította a röntgencsillagászat megfigyelési lehetőségeit (lásd teleszkóp: Röntgenteleszkópok).