Produktion av röntgenstrålning
Det finns tre vanliga mekanismer för produktion av röntgenstrålning: acceleration av en laddad partikel, atomära övergångar mellan olika energinivåer och radioaktivt sönderfall av vissa atomkärnor. Varje mekanism leder till ett karakteristiskt spektrum av röntgenstrålning.
I teorin om klassisk elektromagnetism avger accelererande elektriska laddningar elektromagnetiska vågor. I den vanligaste markbundna källan till röntgenstrålning, röntgenröret, träffar en stråle av högenergielektroner ett fast mål. När de snabba elektronerna i strålen interagerar med målatomernas elektroner och atomkärnor avlänkas och bromsas de upprepade gånger. Under denna plötsliga inbromsning avger strålens elektroner bremsstrahlung (tyska: ”bromsstrålning”) – ett kontinuerligt spektrum av elektromagnetisk strålning med en högsta intensitet i röntgenområdet. Det mesta av den energi som strålar ut i ett röntgenrör ingår i detta kontinuerliga spektrum. Mycket kraftfullare (och mycket större) källor till ett kontinuum av röntgenstrålning är synkrotronpartikelacceleratorer och lagringsringar. I en synkrotron accelereras laddade partiklar (vanligen elektroner eller positroner) till mycket höga energier (vanligen miljarder elektronvolt) och begränsas sedan till en sluten bana av starka magneter. När de laddade partiklarna avleds av magnetfälten (och därmed accelereras via förändringen av deras rörelseriktning) avger de så kallad synkrotronstrålning – ett kontinuum vars intensitet och frekvensfördelning bestäms av magnetfältens styrka och de cirkulerande partiklarnas energi. Speciellt utformade synkrotronljuskällor används över hela världen för röntgenstudier av material.
I ett röntgenrör finns det förutom det kontinuerliga spektrum av strålning som avges av de bromsande elektronerna även ett spektrum av diskreta röntgenemissionslinjer som är karakteristiska för målmaterialet. Denna ”karakteristiska strålning” är resultatet av excitationen av målatomerna genom kollisioner med de snabba elektronerna. Vanligast är att en kollision först leder till att en hårt bunden elektron i det inre skalet kastas ut från atomen; en löst bunden elektron i det yttre skalet faller sedan in i det inre skalet för att fylla den lediga platsen. Under processen avges en enda foton av atomen med en energi som är lika stor som skillnaden mellan tomrummet i det inre skalet och tomrummet i det yttre skalet. Denna energidifferens motsvarar vanligtvis fotons våglängder i röntgenområdet av spektrumet. Karakteristisk röntgenstrålning kan också produceras från ett målmaterial när det utsätts för en primär röntgenstråle. I detta fall initierar de primära röntgenfotonerna sekvensen av elektronövergångar som leder till att sekundära röntgenfotoner avges.
1913 upptäckte den engelske fysikern Henry Moseley ett enkelt samband mellan våglängderna för röntgenemissionslinjerna från ett mål och atomnumret för målelementet – våglängderna är omvänt proportionella mot kvadraten på atomnumret. Detta förhållande, som är känt som Moseleys lag, visade sig vara ett avgörande verktyg för att bestämma atomnummer under atomfysikens tidiga dagar. Röntgenfluoresensteknik, där våglängderna för karakteristiska röntgenstrålar registreras efter excitering av ett mål, används nu ofta för att identifiera materialens elementära beståndsdelar.
Röntgenstrålning är ibland en biprodukt av en kärnomvandling. Vid elektroninfångning fångas en atomelektron i det inre skalet in av atomkärnan, vilket inleder omvandlingen av en kärnproton till en neutron och sänker atomnumret med en enhet (se radioaktivitet: Typer av radioaktivitet). Den lediga banan i det inre skalet fylls sedan snabbt av en elektron i det yttre skalet, vilket ger upphov till en karakteristisk röntgenfoton. Relaxationen av en exciterad kärna till ett lägre energitillstånd resulterar också ibland i att en röntgenfoton avges. De fotoner som avges vid de flesta kärnövergångar av denna typ har dock ännu högre energi än röntgenstrålar – de faller in i gammastråleområdet i det elektromagnetiska spektrumet.
Många astronomiska källor till röntgenstrålar har upptäckts under de senaste 50 åren; tillsammans utgör de en rik informationsresurs om universum (se röntgenkällor). Röntgenstrålning avges av solens heta korona (yttre atmosfär) och av koronorna hos andra vanliga stjärnor i Vintergatan. Många binära stjärnsystem avger rikligt med röntgenstrålning; de starkaste sådana källor producerar, enbart i röntgenområdet, mer än 1 000 gånger hela solens energiproduktion. Supernovarester är också starka källor till röntgenstrålning, som ibland förknippas med synkrotronstrålning som produceras av högenergiladdade partiklar som cirkulerar i intensiva magnetfält och ibland med atomutsläpp från extremt heta gaser (i storleksordningen 10 miljoner kelvin). Kraftfulla extragalaktiska källor till röntgenstrålning, inklusive aktiva galaxer, kvasarer och galaktiska kluster, är för närvarande föremål för en intensiv vetenskaplig granskning; i vissa fall är de exakta mekanismerna för röntgenstrålningsproduktion fortfarande osäkra eller okända. Eftersom jordens atmosfär absorberar röntgenstrålning starkt måste astronomiska observationer i röntgenområdet göras från satelliter i omloppsbana. Uppskjutningen av Chandra X-Ray Observatory 1999 innebar en stor förbättring av observationsmöjligheterna inom röntgenastronomin (se teleskop: Röntgenteleskop).