Röntgen 1895. november 8-án este a laborjában egy Lenard féle katódsugárcsővel kísérletezett. A katódsugárcsövet fekete kartonnal takarta le, hogy a kisülés fényei ne zavarják. Annak ellenére, hogy a készülékből semmiféle látható fény nem érhette el a közelben elhelyezet foszforeszkálásra képes kis ernyőt, az mégis élénken fénylett. Az ernyő fénylése megszűnt, amint a katódsugárcsövet kikapcsolta, és ismét megfigyelhető volt a cső bekapcsolását követően. A sugárzás másfél - két méter távolságból is fénylésre tudta kényszeríteni az ernyőt, tehát nem lehet katódsugárzás, mert azt néhány cm-nyi levegő elnyeli. Kimutatja azt is, hogy a cső egy meghatározott részéből egyenes vonalban lép ki a sugárzás, és az a bárium-platinócianiddal bevont ernyőn felfogható. Megvizsgálja áthatolóképességét, elnyelődését, és elkészíti az első röntgenfelvételeket. 50 napi intenzív munka után a helyi egyetem nyomdájában elkészül kis dolgozata a rejtélyes X- sugarakról. A felfedezés bejelentését követően természetesen többen rájöttek arra, hogy hasonló jelenséget már ők is láttak. Ilyen volt Goldstein, Thomson, Lenard vagy az amerikai Goodsped, aki már korábban a sugárzás nyomát is lefényképezte. Arra a közismert jelenségre is meglett a magyarázat, hogy miért nem szabad a fotólemezeket a katódsugárcső közelében tárolni. Röntgen felfedezését követően valóságos sugárzási láz tört ki, aminek érdekesebb vadhajtásairól egy külön részben olvashatunk .

 

Az új sugárzás legérdekesebb tulajdonsága rendkívüli áthatolóképessége volt. A felfedezést követő napokban Röntgen megállapította, hogy papíron, üvegen, fán és az ember lágy szövetein a sugárzás áthatol, a csontok és a vékony fémlemezek részben, az ólom és más vastagabb fémek teljesen elnyelik. A fotólemezen is feketedést okoz erősségének függvényében, így megszülethettek az első röntgenfelvételek, amelyek sorát Röntgen feleségének kézfelvétele nyitotta meg.
A röntgenfelvételek készítésének alapja a röntgensugárzás különböző mértékű elnyelődése. Általános szabályként azt állapították meg, hogy a sugárzás különböző anyagokon való áthaladáskor annál jobban gyengül, minél nagyobb az anyagban levő elemek atomsúlya, és minél nagyobb az anyag sűrűsége. Vegyületeknél a gyengítő hatás az egyes elemek hatásaiból összegződik. Ezért van az, hogy a víz és szerves anyagok, - amik főként a H, C, O, N könnyű elemeket tartalmazzák, - alig nyelik el a sugárzást, de a fémek és a csontok (P és Ca tartalmuk miatt) erősen. Még erősebb az ólom elnyelő hatása.
 

1895. december 28.-án jelent meg Röntgen első ismertetése az általa felfedezett sugárzásról. Rövid dolgozatát Európa vezető tudósainak is megküldte újévi jókívánságai mellé, és az mindenhol óriási lelkesedést váltott ki. Akinek lehetősége volt rá, maga is megkísérelt saját röntgenképet készíteni. Így történt ez a pesten is.
Az első hazai tudósítás a röntgensugárzásról 1896 januárjában jelent meg a Természettudományi Közlönyben. Ebben Wartha Vince (1844-1914), a Műegyetem tanára, a bécsi Die Presse alapján közli a felfedezés hírét, valamint annak Boltzmann- féle kommentálását, aki egyrészt javasolja az új sugárzás elnevezését a felfedezőjéről, másfelől a sugárázást az éter longitudinális rezgéseinek vélte, akárcsak Röntgen. A cikk igazi szenzációja az volt, hogy a végén már közölte a bemutatott felvételt Eötvös Loránd kezéről. A felvételt egyébként Klupathy Jenő (1861-1931) készítette, aki ekkor a miniszterré kinevezett Eötvöst helyettesítette a Kísérleti Fizika Tanszéken. Klupathy január 16.-án a Fizikai Intézet nagyelőadójában is beszámolt a Röntgen - kísérletekről. A vidékiek sem maradtak el a pestiek mögött.  Honor István a szegedi főreál fizika szertárában január 18.-án készít először felvételt. Nem sokkal marad el tőle Gothard Jenő (1857-1909), a Szombathely melletti Herényben magáncsillagdát is fönntartó tudományoknak élő földbirtokos, aki a csillagászati vizsgálathoz rendelt spektralfotógráfiai csöveit alkalmazta a sugarak előállítására. A hazai kezdeményezések gyorsaságát jelzi az is, hogy például a párizsi akadémikusok csak január 20.-án ismerkednek meg az új sugárfajtával Poincare jóvoltából. Még maga Röntgen is csak január 23.-án tart először nyilvános előadást. A pozsonyi Klatt Virgil (1850-1935), Lenard tanára, a fotólumineszcencia neves szakértője látta el "pozsonyi foszforral" a hazai tudósokat. A hazai tudósok sorából külön ki kell emelni Károly József Iréneuszt (1854-1919), a nagyváradi fizikatanárt, aki nem kis erőfeszítéssel 1896 végére iskolájában, a premontrei gimnáziumban az ország első röntgen-laboratóriumát állította fel, majd hamarosan a gyógyászati alkalmazásait is bevezette. Ő már egyébként az 1900-1901-es tanévben drótnélküli távírót is tudott készíteni.
 

A legkorábbi időkben a röntgensugárzás a katódsugárcső üvegfalából lépett ki. Hatásosabbnak bizonyult azonban az, ha a sugárzást egy fém antikatóddal váltják ki. A körülbelül 0,1 Pa nyomású gázt tartalmazó csőben a nagyfeszültséggel felgyorsított elektronok az antikatódnak ütközve keltik a sugárzást. Az elektronok energiájának mintegy 99,9 %-a az ütközéskor hővé alakul át, az antikatód erősen felmelegszik A röntgencsövek hatásfoka tehát rendkívül alacsony.
A röntgencsövek sugárzását az erősséggel és a keménységgel jellemezték. Az erősség a kisugárzott összes energiával volt kapcsolatban, a keménység pedig az áthatoló képességgel. A foton-hipotézis elfogadásáig a sugárzás erősségének és keménységének a problémáját nem tudták megérteni.
A korai röntgencsövek gáztöltésűek voltak. A kisnyomású gázra azért van szükség, hogy a katódból kilépő gyenge elektronnyaláb ütközéses ionizáció révén a gázból további elektronokat váltson ki, amik az antikatódba ütközve intenzívebb röntgensugárzást váltanak ki. (Több foton) Az ütközés révén azonban az elektronok energiája lecsökken így kisebb áthatolóképességű, kevésbé "kemény" röntgensugárzás keletkezik. (Kisebb energiájú foton.) Idővel azonban az üveg és a fém abszorpciója miatt a gáz mennyisége csökken a csőben, így a sugárzás intenzitása is csökken, míg keménysége nő. (Nagyobb energiájú foton.) Ezért a gázt idővel pótolni kell. A gáztöltésű csövek másik nagy hátránya az volt, hogy csak a sugárzás erősségét lehetett szabályozni, keménységét nem. Az izzókatódos röntgencsövek megjelenésével a gáztöltésű csövek teljesen eltűntek. Az izzókatódos csőben szinte tökéletes vákuum van, és mint neve is mutatja, az elektronokat egy izzított fémkatód szolgáltatja. Ezeknél a katód fűtőáramának váltogatásával a sugárzás erőssége, az anód - katód feszültséggel pedig a keménysége váltogatható. Az erősség és a keménység különválására csak a fotonhipotézis elfogadásával lehetett magyarázatot találni. A sugárzás erőssége a nyalábban lévő fotonok számával arányos, a keménysége pedig az egyes fotonok energiájával (frekvenciájával). A röntgensugárzás tehát a foton hipotézis egyik fontos támasza volt.
 

Röntgen bejelentését követően néhány héttel egy amerikai kórházában egy törött kezet már röntgensugarak segítségével illesztettek össze. A bemutatott felvételen egy vadászbaleset sörétjeit látjuk a kézfejben.  A képet Michel Pupin professzor készítette 1896 januárjában a Columbia Egyetemen. A kép  tehát csak néhány héttel a sugárzás felfedezését követően készült. Jelentősége mindenki számára nyilvánvaló, így az orvosok hamar felismerték a röntgenfelvételek fontosságát. 1898-ban jelent meg a hordozható röntgenkészülék a hadseregnél, ilyen kísérte már a brit csapatokat a szudáni dervisek lázadását leverő hadjáratba.

Az orvos fluoreszkáló ernyőn nézi a páciens mellkasát, akinek háta mögött található a röntgencső. Mindketten veszélyes mértékű röntgensugárzásnak vannak kitéve. A röntgensugárzás veszélyeit korán felismerték. Élettani hatása a radioaktív gammasugárzással azonos. A röntgensugárzás első áldozata állítólag az amerikai Grubbe volt, akinek egy Crookes- csövet gyártó üzeme volt. Ő 1896 legelején szorult orvosi kezelésre, mert bal kezén a sugárzás következtében kihullt a szőr, a bőre kiszáradt és berepedezett, a körmök elsatnyultak. A sugárzás okozta bőrgyulladás a század első éveiben világszerte az orvosok gyakori betegsége lett, ugyanis ekkoriban még rendszeresen benyúltak a sugárzás útjába a felvételek készítése során. A "röntgenkéz" néven ismert tünet együttesnek gyakran voltak súlyosabb következményei. A bőr alatti erek károsodása és a minduntalan kifekélyesedés miatt gyakran vált szükségessé az ujjak amputálása is. Gyakran alakult ki bőrrák is. A sugárzás által kiváltott bőrrákot Frieben német orvos 1902-ben írta le először. Több mint 400 röntgenorvosról tudunk, akinek halála a sugárzás okozta bőrráknak tulajdonítható. Emlékükre a hamburgi Szent György Kórház parkjában egy emlékművet állítottak fel. Az emlékművön 18 magyar orvos neve is olvasható.

Barkla 1906-ban és C. A. Sadler röntgensugarakkal határozzák meg a szénatom elektronjainak a számát, amivel az Avogadro szám meghatározásának egy új módszerét is kidolgozzák. Barkla ebben az időszakban polarizálni is tudja a röntgensugarakat (olyan röntgenhullámokat válogatott ki, amelyek ugyanabban a síkban rezegnek), ezzel kimutatja, hogy a röntgensugarak transzverzális hullámok, azaz olyanok, mint a fény és más elektromágneses sugárzások.
1911-ben kísérletei alapján tisztázódik a röntgensugárzás két fajtája, a fékezési és a karakterisztikus. A fékezési sugárzás akkor keletkezik, amikor az elektron az atomba csapódva lefékeződik. A karakterisztikus sugárzás nagy energiájú nyalábjai az adott antikatód anyagára jellemző frekvenciákat tartalmaznak, amelyek különböző sorozatokba rendeltek, és a K,L,M,O,P betűjelekkel nevezték el őket. A lítiumtól a neonig csak a K sorozat fedezhető fel, a nagyobb rendszámú elemeknél jelentkeznek a sorozat későbbi tagjai. Ezek a sorozatok a Bohr-modell nagyon fontos támaszai is lesznek egyben, de anyagvizsgálati módszer is kifejlődik ez alapján.

Lauenak 1912-ben jutott eszébe az az ötlet, hogy a röntgensugárzás hullámtermészetének egyértelmű bizonyítékát a kristályrácson való elhajlással lehetne igazolni, ekkoriban azonban a periodikus kristályrácsszerkezet megléte még nem volt elfogadott teljesen. A Barkla által felfedezett polarizáció ugyan már sejtette, de nem bizonyította jelenség hullámtermészetét. Az optikai rácson elvégzett sikertelen kísérlet pedig azt sejtette, hogy a röntgensugárzás hullámhossza tízezerszer kisebb is lehet, mint a látható fényé. Laue azt javasolta, hogy a röntgensugárzást próbálják meg szabályos kristályokon átvezetni. A kristály atomjainak rácsközén létrejövő elhajlással a sugárzás hullámtermészete kimutatható. Laue ötletét Knipping és Fridrich hajtotta végre először rézgálic kristályon. Az ötlet sikeresnek bizonyult, az elhajlás által létrejövő interferenciakép fotólemezen rögzíthető volt.

A Laue diagramoknál egy szűk röntgennyalábot bocsátanak a kristályra, a kristály mögé helyezik a fotópapírt. A kristály rácspontjaiban ülő atomokon szóródó hullámnyalábok interferenciájának eredménye lesz a szabályos geometriai rendben elhelyezkedő sötét foltsokaság, amik az erősítési helyeknek felelnek meg. A bemutatott bal oldali korai felvételen a rézgálic Laue diagrammját látjuk. A jobb oldali kép a LiF Laue-diagramja, a Phywe nevű német tanszergyártó cég felvétele. A módszert egyébként már Röntgen is kipróbálta, de az első sikertelen próbálkozások után feladta a kísérletezést. Laue viszont meg volt győződve arról, hogy a kristályok rácsállandója valóban a röntgensugárzás hullámhosszának nagyságrendjébe esik, és az első sikertelen próbálkozások után további kísérletekre ösztönözte Knippingéket. A Laue-diagramok a kristályszerkezeti kutatások alapvető eszközeivé válnak, és létrejön az ezzel foglalkozó röntgenkrisztalográfia.

Az ifjú Braggnak az apja (aki szintén kiváló fizikus volt, és együtt kaptak Nobel-díjat)) 1912-ben, a nyári szünidő idején, otthonukban Ausztráliában mutatja be Max von Laue új könyvét a röntgensugárzásról, és kristályokon való röntgenelhajlásról. Az ifjú Bragg miután visszatér Cambridge-be, abban a hitben, hogy Laue értelmezése részleteiben helytelen, eredeti kísérletsorozatot végez. Nem a kristályokon áthaladó, hanem azokról visszaverődő nyalábot vizsgálja. Ennek eredményeként felfedezi a röntgen-diffrakció leírásában alapvető Bragg-egyenletet amely választ ad arra, hogy milyen a kristályatomok távolsága, ha mérjük, hogy milyen  szögű röntgensugarat térít el leghatékonyabban a kristály, és ha a röntgensugár hullámhossza  ismert. Bragg elsőként kimutatta azt, hogy a kősóban a kétfajta atom - a nátrium és a klór - felváltva helyezkedik el úgy, hogy azonos elem atomjai soha nem érintkeznek egymással. Eközben apja megtervezte a röntgenspektrométert, azt az eszközt, melynek segítségével pontosan megmérhető a röntgensugár hullámhossza. A két tudós a szünidők alatt a Bragg-spektrométerrel sok más anyag atomos elrendeződését is meghatározta, például a gyémántét is.
A kristályban az atomok különböző szögekben álló hálózati síkokban helyezkednek el. Ezek távolsága is különböző. (Az ábrán d₁ és d₂) Az egyes hálózati síkseregekről pontosan olyan hullámhosszú sugárzás verődik vissza, ami megfelel a Bragg-feltételnek. Ezek alapján  a kristály belső szerkezete feltérképezhető ismert hullámhosszak alapján, vagy ismert kristály esetén a röntgenspektrumot vehetünk fel.

Mosely Barkla módszerével több mint 40 különböző antikatód anyagot vizsgál meg, és megállapítja, hogy a “legkeményebb” röntgen összetevőnek, a "K-alfának" a frekvenciájának a négyzetgyöke egyenesen arányos az antikatód anyagának rendszámával. (Ekkoriban a rendszám elnevezést nem használják még, Moseley maga is "atomszámokról" beszél.) Vizsgálatait így összegezte: "…úgy találtuk, hogy az eredmények egyszerű törvényeknek engedelmeskednek. A törvények alapján az is biztonsággal megjósolható - az alumíniumtól az aranyig - bármely elem spektrumában, hogy hová kerülnek a fő vonalak." A törvényt a Bohr- elmélet alapján a német Walter Kossel (1888-1956) magyarázza meg, ami a Bohr elmélet első komoly sikerei közé tartozik. A Moseley törvény óriási jelentősége az volt, hogy pontos rendszám-meghatározást, azaz magtöltés mérést tett lehetővé. Nem véletlen, hogy Bohr a következőt mondta Moseley törvényéről: " Moseley munkája fontosság és jelentőség szempontjából egyenrangú a periódusos rendszer felfedezésével." Moseley mérései alapján, az atomsúlyok szerint elrendezett periódusos rendszerben, három helyen is cserét kellett alkalmazni az elemek sorrendjében. (Ar-K, Co-Ni, Te-J) Több új elem létét is megjósolta, a 43-as tecnnéciumét, a 72-es hafniumét, (ezt Hevesy találja meg), és a 75-ös rendszámú réniumét) Az ábrán a hoányzó "láncszem" utal a tecnnécium létére.

Debye 1916-ban kimutatja, hogy a szilárd anyagok por állapotban is alkalmasak a kristályszerkezet röntgensugarakkal való tanulmányozására, ezzel feleslegessé tett egy bonyolult lépést, a jó minőségű kristályok előállítását. Ez valóságos forradalmat indít el a röntgensugarak anyagszerkezeti vizsgálatokhoz való felhasználásában. A Debye ábrák a Laue-diagramokhoz hasonló módon készülnek, de azért, hogy az interferenciakép ne legyen áttekinthetetlenül bonyolult, monokromatikus nyalábot kell használni.

1. Konyhasó Debye ábrája. A Debye ábrákra az a jellemző, hogy koncentrikus körök alkotják az elhajlási képeket. Ilyen elhajlási kép akkor keletkezik, ha nagyszámú szóró centrumon szenved elhajlást a sugárzás, ami por alakú kristályoknál fordulhat elő.

2. Konyhasó Laue ábrája. A Laue ábrákra jellemző, szabályos és szimmetrikus foltsokaság, az adott kristályforma "ujjlenyomatának" tekinthető. Így a Laue ábrák alkalmasak kristályszerkezet kutatásra, vagy ismert kristály esetén röntgen- hullámhossz mérésre. Mivel a felvétel alapján az atomok mint szóró centrumok  leszámolhatók, ezért a Laue-diagramok alapján nagyon nagy pontossággal meghatározható az Avogadro-féle szám is.

 

A röntgensugárzás biológia alkalmazása nem újkeletű. Mint ismeretes az élet molekulájának, a DNS-nek a Laue ábrák alapján sikerült tisztázni kettős spirál szerkezetét Wilkinsnek, Cricknek és Watsonnak 1953-ban. A röntgensugárzás legújabb kori történetében új fejezetet nyitott a szinkrotonsugárzásként való előállítása. Egy fonalszerű elektronnyaláb egy tárológyűrű mágnes rendszerén keresztülhaladva igen fényes, jól fókuszált röntgensugárzást kelt. Korábban a szinkrotonsugárzást az elektrongyorsítók zavaró melléktermékének tekintették, de mára már felismerték egyedülálló lehetőségeit a kutatásban is. A felvételen egy fehérjekristály tűéles Laue diagramját látjuk. A csíkok azért keletkeztek a felvételen, mert az expozíció alatt a fehérje elfordult.
Mivel a kémiai elemek röntgensugár-elnyelése bizonyos hullámhosszokon éles maximumot mutat, ezért a változtatható hullámhosszúságú szinkrotonsugárzás segítségével beazonosíthatók bizonyos elemek is.
A szinkrotonsugárzás lehetővé teszi mikrotomográfiás felvételek készítését is. A tomográfiás eljárásnak az a lényege, hogy a vizsgált anyagnál a röntgensugárzással nagyszámú kétdimenziós szeletet készítenek, majd egy számítógépes eljárással háromdimenziós k

A mellékelt elektronmikroszkópos felvételen néhány mikrométer távolságú rétegeket látunk egymás mellett. A vékony, egymáshoz  közeli rétegeket az úgynevezett röntgenlitografikus eljárással hozták létre. Az eljárás a hagyományos fénnyel végrehajtott litografikus eljárás továbbfejlesztett változata. A litografikus eljárás lényege, hogy valami bonyolult  áramkört hagyományos fénnyel leképeznek egy megfelelő fényérzékeny réteggel bevont vezető felületre. A fény által kiváltott reakció mentén megfelelő kémiai eljárással az áramkör erősen kicsinyített képe megjelenik. Ennek a lekicsinyítési folyamatnak a fény hullámhossza szab határt. Röntgensugárzás alkalmazásával, amelynek hullámhossza  a látható fény tízezered része, elvileg tízezerszeres kicsinyítés érhető el.