Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die Strahlung 1895. Sie entsteht in der Röntgenröhre, einer evakuierten Röhre mit zwei Elektroden. Aus der Glühkathode treten Elektronen aus (Glühemission). Die Hochspannung $U_B$ beschleunigt sie zur Anode, die aus Wolfram, Molybdän, Kupfer oder einem anderen Metall besteht. Dort werden sie abgebremst. Jedes Elektron hat beim Auftreffen die kinetische Energie $e\,U_B$. Schulgeräte arbeiten bis etwa 35 kV, in der medizinischen Diagnostik nutzt man etwa 25 kV bis 150 kV.

Der Anodenstrom, also die Zahl der Elektronen pro Sekunde, wird über die Heizung der Kathode geregelt und bestimmt die Intensität. Die Spannung bestimmt, wie energiereich die Photonen höchstens sein können. Nur etwa 1 % der Elektronenenergie oder weniger wird zu Röntgenstrahlung, der Rest wird zu Wärme. Darum kühlt man die Anode, und bei starken Geräten dreht sie sich (Drehanode). Röntgenstrahlung ist ionisierend und schädigt Gewebe. Versuche macht nur die Lehrkraft, und Schulröntgengeräte sind Vollschutzgeräte, die die Strahlung abschirmen.

Die Elektronen werden im elektrischen Feld der Atomkerne in der Anode abgelenkt und abgebremst. Beschleunigte Ladungen senden Strahlung aus: die Bremsstrahlung. Ein Elektron kann seine Energie in einem Schritt oder in mehreren Schritten abgeben. Darum haben die Photonen alle Energien von nahe null bis zu einem Höchstwert. Das Bremsspektrum ist kontinuierlich.

Die größte Photonenenergie entsteht, wenn ein Elektron seine ganze Energie auf ein Photon überträgt: $h\,f_{\max} = e\,U_B$. Die kleinste Wellenlänge ist die Grenzwellenlänge $\lambda_{\min}$ (Duane-Hunt-Gesetz). Sie hängt nur von $U_B$ ab, nicht vom Anodenmaterial. Erhöht man $U_B$, rückt sie zu kleineren Wellenlängen, und die Intensität steigt. Das ist die Umkehrung des Fotoeffekts. Misst man $\lambda_{\min}$, kann man daraus $h$ bestimmen.

Ein Elektron kann beim Auftreffen ein Elektron aus einer inneren Schale des Anodenatoms herausschlagen, zum Beispiel aus der K-Schale ($n = 1$). Dazu muss $e\,U_B$ mindestens so groß sein wie die Bindungsenergie dieses Elektrons. Die Lücke füllt ein Elektron aus einer höheren Schale, und die Energiedifferenz wird als Photon ausgesandt. Beim Übergang L nach K ($n = 2 \to 1$) heißt die Linie $K_\alpha$, beim Übergang M nach K ($n = 3 \to 1$) heißt sie $K_\beta$.

Die inneren Elektronen sind stark gebunden, darum liegen die Photonenenergien bei keV. Die Linien bilden die charakteristische Röntgenstrahlung, denn sie hängt nur vom Anodenmaterial ab. Sie erscheint erst, wenn $e\,U_B$ die Bindungsenergie der K-Schale übersteigt (bei Kupfer etwa 9 keV). Eine Änderung von $U_B$ verschiebt die Linien nicht, sie ändert nur ihre Intensität.

Das Röntgenspektrum einer Röhre ist die Überlagerung: ein kontinuierliches Bremsspektrum, das bei $\lambda_{\min}$ beginnt, und darüber einzelne scharfe Linien.

Henry Moseley fand 1913: Die Wurzel aus der Frequenz der $K_\alpha$-Linie wächst linear mit der Ordnungszahl $Z$ der Anode. Das Gesetz erklärt sich mit dem Energiestufenmodell: Beim Übergang $n = 2 \to 1$ springt ein Elektron im Feld des Kerns, den das zweite K-Elektron zum Teil abschirmt. Die wirksame Kernladung ist näherungsweise $(Z - 1)\,e$. Die Energien wasserstoffähnlicher Atome liefern dann:

Wellenlängen von Röntgenstrahlung misst man mit einem Kristall als Beugungsgitter. Die Netzebenen mit dem Abstand $d$ reflektieren die Strahlung. Verstärkung gibt es nur, wenn die Bragg-Bedingung $2\,d\,\sin\theta = k\,\lambda$ erfüllt ist ($\theta$ ist der Glanzwinkel zur Netzebene, $k = 1, 2, \dots$ die Ordnung). Dreht man den Kristall und misst die Intensität unter dem jeweiligen Winkel, erhält man das Röntgenspektrum: Jeder Glanzwinkel gehört zu einer Wellenlänge. Bei $k = 2$ erscheint dieselbe Wellenlänge unter einem größeren Winkel. Als Kristall dient oft Natriumchlorid mit $d = 0{,}282\,\text{nm}$ für die Würfelebenen.