Az első fizikai Nobel-díjat 1900-ban Wilhelm Röntgen(1845-1921) kapta a róla elnevezett sugárzás felfedezéséért. A felfedezés 1895-ben, véletlenül történt, amikor Röntgennagyfeszültségű kisülési csövekkel kísérletezett. Nem tudta megfejteni, milyen sugárzást fedezett fel (X-sugárzásnak, vagyis ismeretlennek nevezte el, ami az angol nyelvben a mai napig megmaradt - X-rays), de számos tulajdonságát, legfőképpen rendkívüli áthatoló képességét a felfedezés után néhány héten belül megállapította. A felfedezést követő hatodik héten már megtörténtek az első orvosdiagnosztikai alkalmazások is, a fizikai felfedezések közül ennél gyorsabb gyakorlati alkalmazásra valószínűleg soha nem került még sor. Azóta nemcsak az orvostudományokban, hanem rendkívül sok más területen is széles körben alkalmazzák a röntgensugarakat. Sajnálatos, hogy az alkalmazások első néhány évtizedében még nem ismerték fel a röntgensugaraknak az emberi szervezetre gyakorolt káros hatását, hosszú ideje azonban már minimálisra csökkentették az egészségkárosítás kockázatát.

A röntgensugarak keletkezését és tulajdonságait csak a Planck-Einstein-féle fotonképpel és a Bohr által bevezetett atomi energiaszintekkel lehetett megmagyarázni, ezzel újabb példát mutathatunk be az elektromágneses sugárzás kvantumos természetére. A röntgensugarak keletkezését a fényelektromos hatás megfordításának is tekinthetjük.

A fényelektromos jelenség úgy jön létre, hogy egy fém felületét fénnyel megvilágítjuk, ennek hatására elektronok szabadulnak ki a fém felületéből. A röntgensugarakat viszont úgy keltik, hogy fémfelületeket elektronokkal bombáznak, ennek következtében a fémből röntgensugarak lépnek ki.

A röntgensugarakról teljes biztonsággal csak az 1910-es években mutatták ki, hogy nagyfrekvenciájú elektromágneses hullámok vagyis nagyenergiájú fotonok. A fotoeffektusban résztvevő látható vagy ultraibolya fény és a röntgensugárzás energiatartománya sok nagyságrenddel különbözik egymástól. A fényelektromos jelenségbenkisenergiájú fotonok keltenek néhány eV energiájúelektronokat, míg a nagyenergiájú röntgenfotonokat eV mozgási energiájúelektronok hozzák létre.

Az ábrán egy napjainkban használatos röntgencsövet láthatunk, melynek belsejében vákuum van. Az elektronok az izzókatódból lépnek ki, majd az általában néhányszor tízezer voltos pozitív feszültségre kötött anódba csapódnak.

Az anódba csapódó elektronok különböző hullámhosszúságúröntgensugarakat keltenek. A következő ábrán egy tipikus hullámhossz szerinti intenzitáseloszlást láthatunk. Az intenzitásgörbén megfigyelhetünk éles csúcsokat, melyek a röntgencsőanódjának anyagára jellemzőek (az ábra molibdén anódú röntgencsőszínképét mutatja), és láthatunk folytonos röntgenszínképet is, ami független az anód anyagától. Az éles csúcsok és a folytonos sugárzás két, teljesen különböző módon jön létre, de egy időben, ezért a kettő összegét láthatjuk az ábrán.

A folytonos röntgensugárzástfékezési sugárzásnak is hívjuk, mert ez az anódba csapódó elektronoklefékeződése miatt keletkezik. A lefékeződő elektronok nagy negatív gyorsulással állnak meg. A gyorsuló töltésekelektromágneses hullámokatsugároznak ki: ezek a folytonos tartomány röntgenfotonjai. Az ábrából az is látszik, hogy a folytonos színképnek van egy minimális hullámhosszúságú pontja, ennél kisebb hullámhosszúröntgensugarak nem keletkeznek. A keletkező röntgensugarak legkisebb hullámhossza a gyorsítófeszültségtől függ. Nagyobb gyorsítófeszültségek esetén még kisebb hullámhosszúságú, tehát nagyobb frekvenciájú, nagyobb energiájú röntgenfotonok is létrejöhetnek. Ha az anód U_A feszültségű, akkor a katódból kilépő elektronok e U_A mozgási energiával csapódnak az anód anyagába. A fékeződés során legfeljebb ennyi energiát adhatnak egy keletkező röntgenfotonnak, amennyiben a fotonképzés egyetlen lépésben történik és másfelé nem megy el energia (a röntgensugárzás keltése szempontjából ez a legszerencsésebb eset). A Planck-formula értelmében az elektron teljes mozgási energiájának egyetlen röntgenfotonná alakulása közben az energiamegmaradás egyenletét így írhatjuk: , amiből a minimális hullámhosszat így fejezhetjük ki: .

A jobb oldalon a h Planck-állandó, a c fénysebesség és az elektron e töltése univerzális fizikai állandók, U_A pedig az anód és a katód között mérhető feszültség, melyekből tehát a minimális hullámhossz kiszámítható. A fotonelmélet helyességét erősíti meg, hogy az így kiszámított minimális röntgenhullámhossz nagyon jó egyezésben van a mérhető legkisebb hullámhosszal. Fizikatörténeti tény, hogy a legelső valóban pontos Planck-állandó meghatározás éppen ezen az egyszerű összefüggésen alapult.

Az anyagtól független fékezési sugárzáson kívül magyarázatot kell adnunk a spektrumban megjelenő, a röntgencső anyagára jellemző éles intenzitáscsúcsokra is. Ezek nem magyarázhatók a gyorsuló töltéselektromágneses sugárzásával, vagyis a klasszikus fizika törvényeivel. A Bohr-modellben megjelenő energiaszintekkel viszont kielégítő magyarázatot adhatunk a röntgenszínkép éles vonalaira, az úgynevezett karakterisztikus sugárzásra.

Az anód anyagába becsapódó elektronokmozgási energiájukat nemcsak röntgenfotonok keltésére, hanem az q anyagát alkotó atomok elektronjainak kilökésére is felhasználhatják. A becsapódó elektronok olyan nagy energiával rendelkeznek, hogy képesek a legerősebben kötött, az atommaghoz legközelebbi, legbelsőbb pályákon lévő elektronokat is kilökni. Ezek az úgynevezett 1s pályán lévő elektronok, melyeket régebbi szóhasználat szerint a K-héjon lévő elektronoknak hívunk. Ha az anódba csapódó elektron kilök egy K-elektront, tehát a K-héjon egy betöltetlen, mélyen fekvő energiaszint marad, akkor kevesebb, mint egy nanoszekundumon ( s ) belül egy magasabb energiaszinten lévő elektron ugrik erre a szintre (az energiaminimumra törekvés elve szerint). Legvalószínűbb, hogy eggyel vagy kettővel magasabban lévő héjról, tehát az L- vagy az M-héjról ugrik elektron a K-héjbetöltetlen állapotába. Ezzel az elektronalacsonyabb energiájú állapotba kerül, ami a két energiaszint közötti energiakülönbségnek megfelelő foton kisugárzásával jár. A mélyen kötött állapotokban ez az energiakülönbség olyan nagy, hogy nagyenergiájú röntgenfoton keletkezik a folyamatban. Az ilyen röntgenfotonokenergiája, és így hullámhosszúsága is tehát valóban a röntgencső anódjának anyagától, az anódatomjainak legmélyebben lévő energiaszintjeitől, ezek különbségétől függ. A karakterisztikus röntgensugárzás létrejötte tehát lényegében megegyezik az izzó gázok vonalas színképének kialakulásával, itt is egy magasabb energiaszintről egy alacsonyabbra ugrik egy elektron.

A karakterisztikus röntgensugárzást tehát a Bohr-féle atommodell energiaszintjeinek felhasználásával lehet megérteni. A röntgenszínképben lévő intenzitáscsúcsok hullámhosszúságának mérése lehetővé tette a mélyen fekvő atomi energiaszintek feltérképezését.

Wilhelm Röntgen (1845-1921)

Napjainkban használatos röntgencső vázlata

Egy röntgencsőből kilépő különböző hullámhosszúságú röntgensugarak intenzitás-eloszlása