Productie van röntgenstraling
Er zijn drie gangbare mechanismen voor de productie van röntgenstraling: de versnelling van een geladen deeltje, atomaire overgangen tussen discrete energieniveaus, en het radioactieve verval van sommige atoomkernen. Elk mechanisme leidt tot een karakteristiek spectrum van röntgenstraling.
In de theorie van het klassieke elektromagnetisme zenden versnellende elektrische ladingen elektromagnetische golven uit. In de meest voorkomende aardse bron van röntgenstraling, de röntgenbuis, botst een bundel hoogenergetische elektronen op een vast doel. Door de interactie van de snel bewegende elektronen in de bundel met de elektronen en kernen van de atomen in het doelwit, worden zij herhaaldelijk afgebogen en vertraagd. Tijdens deze abrupte vertraging zenden de elektronen van de bundel bremsstrahlung (Duits: “remstraling”) uit – een continu spectrum van elektromagnetische straling met een piekintensiteit in het röntgengebied. Het grootste deel van de energie die in een röntgenbuis wordt uitgestraald, zit in dit continue spectrum. Veel krachtiger (en veel grotere) bronnen van een continu spectrum van röntgenstraling zijn synchrotron-deeltjesversnellers en opslagringen. In een synchrotron worden geladen deeltjes (gewoonlijk elektronen of positronen) versneld tot zeer hoge energieën (meestal miljarden elektronvolt) en vervolgens door sterke magneten opgesloten in een gesloten baan. Wanneer de geladen deeltjes door de magneetvelden worden afgebogen (en dus door de verandering van hun bewegingsrichting worden versneld), zenden zij zogenaamde synchrotronstraling uit – een continuüm waarvan de intensiteit en de frequentieverdeling worden bepaald door de sterkte van de magneetvelden en de energie van de rondcirkelende deeltjes. Speciaal ontworpen synchrotronlichtbronnen worden wereldwijd gebruikt voor röntgenstudies van materialen.
In een röntgenbuis is er, naast het continue spectrum van straling uitgezonden door de vertragende elektronen, ook een spectrum van discrete röntgenstralingslijnen dat karakteristiek is voor het doelmateriaal. Deze “karakteristieke straling” is het resultaat van de excitatie van de doelatomen door botsingen met de snel bewegende elektronen. Meestal leidt een botsing er eerst toe dat een strak gebonden binnen-schil-elektron uit het atoom wordt geslingerd; een los gebonden buiten-schil-elektron valt dan in de binnen-schil om de vrijgekomen plaats op te vullen. Daarbij wordt door het atoom één foton uitgezonden met een energie die gelijk is aan het verschil tussen de binnen- en buitenschaalvacature-toestand. Dit energieverschil komt gewoonlijk overeen met foton-golflengten in het röntgengebied van het spectrum. Karakteristieke röntgenstraling kan ook worden geproduceerd uit een doelmateriaal wanneer het wordt blootgesteld aan een primaire röntgenbundel. In dat geval veroorzaken de primaire röntgenfotonen de opeenvolging van elektronovergangen die resulteren in de emissie van secundaire röntgenfotonen.
In 1913 ontdekte de Engelse natuurkundige Henry Moseley een eenvoudige relatie tussen de golflengten van de röntgenstralingslijnen van een doelwit en het atoomnummer van het doelelement – de golflengten zijn omgekeerd evenredig met het kwadraat van het atoomnummer. Deze relatie, bekend als de wet van Moseley, bleek een onmisbaar hulpmiddel te zijn bij de bepaling van atoomnummers in de begindagen van de atoomfysica. Röntgenfluorescentietechnieken, waarbij de golflengten van karakteristieke röntgenstralen worden geregistreerd na de excitatie van een doelwit, worden nu algemeen gebruikt om de elementaire bestanddelen van materialen te identificeren.
Röntgenemissie is soms een bijproduct van een nucleaire transformatie. Bij het proces van elektronenvangst wordt een atoomelektron uit de binnenste schil door de atoomkern gevangen, waardoor een kernproton in een neutron wordt omgezet en het atoomnummer met één eenheid wordt verlaagd (zie radioactiviteit: Soorten radioactiviteit). De vrijgekomen binnen-schil-baan wordt dan snel opgevuld door een buiten-schil-elektron, dat een karakteristiek röntgenfoton produceert. De relaxatie van een geëxciteerde kern naar een lagere energietoestand resulteert soms ook in de emissie van een röntgenfoton. De fotonen die worden uitgezonden in de meeste nucleaire overgangen van dit type hebben echter een nog hogere energie dan röntgenstraling – zij vallen in het gammastraalgebied van het elektromagnetische spectrum.
In de afgelopen 50 jaar zijn vele astronomische bronnen van röntgenstraling ontdekt; tezamen vormen zij een rijke bron van informatie over het heelal (zie Röntgenbronnen). Röntgenstraling wordt uitgezonden door de hete corona (buitenste atmosfeer) van de Zon en door de corona’s van andere gewone sterren in het Melkwegstelsel. Veel dubbelstersystemen zenden overvloedige röntgenstraling uit; de sterkste van dergelijke bronnen produceren, alleen al in het röntgengebied, meer dan 1000 maal de totale energie-output van de zon. Supernova-restanten zijn ook sterke bronnen van röntgenstraling, die soms samengaat met synchrotronstraling, geproduceerd door hoogenergetische geladen deeltjes die in intense magnetische velden circuleren, en soms met atomaire emissies van extreem hete gassen (in het bereik van 10 miljoen kelvins). Krachtige extragalactische bronnen van röntgenstraling, waaronder actieve melkwegstelsels, quasars en galactische clusters, worden momenteel intensief wetenschappelijk onderzocht; in sommige gevallen zijn de precieze mechanismen van de röntgenproductie nog onzeker of onbekend. Aangezien de aardatmosfeer röntgenstraling sterk absorbeert, moeten astronomische waarnemingen in het röntgengebied worden gedaan vanuit satellieten in een baan om de aarde. De lancering van het Chandra X-Ray Observatory in 1999 heeft de waarnemingsmogelijkheden van de röntgenastronomie sterk verbeterd (zie telescoop: röntgentelescopen).