X射线，也称为伦琴射线，是一种高能电磁波，它的波长比紫外线更短，但比伽马射线更长，一般来说波长范围在10 pm~10 nm之间，对应的频率约为30 PHz~30 EHz（3×1016~3×1019Hz），携带的光子能量则在100 eV~100 keV之间。

X射线（X-ray）是一种波长范围约为10 pm ~10 nm之间的高频电磁波，具有穿透性强、波长短、能量高等特征。按波长穿透能力，又能分为两类：硬X射线和软X射线。

硬X射线，波长较短，通常在10~100 pm，穿透力较强。

软X射线，波长较长，通常在100 pm~10 nm，穿透力较弱。

产生X射线的最简单方法是用加速后的电子撞击金属靶，可通过使用X射线管（真空管）产生。该装置利用高电压加速由热阴极发射的电子，使其获得高速度，然后高速电子与金属靶（阳极）碰撞，从而生成X射线。X射线管输出的最高光子能量由加速电子的能量上限决定，该能量等于管电压与电子电荷的乘积。例如，若管电压为80 kV，便无法产生能量大于80 keV的光子。当电子撞击靶材时，会通过两种原子过程生成X射线：

1. 特征辐射（Characteristic X-ray emission /X-ray electroluminescence）：若电子能量足够高，可将靶原子内层电子击出，该空位会被高能层的电子填补，期间释放出离散频率的X射线光子（波长约为0.1 nm，频率约为3 EHz，能量约为10 keV），形成所谓的特征辐射谱线。常见的跃迁包括从更高能层跃迁至K壳层（K线）、L壳层（L线）等，其中2p跃迁到1s被称为Kα线，3p跃迁到1s被称为Kβ线。因Kα线强度通常高于Kβ线，晶体衍射实验中往往更倾向于使用Kα线，并通过选用合适滤波片（如Cu（铜）靶配合Ni（镍）滤波片、Mo（钼）靶配合Nb（铌）滤波片）滤除Kβ线。

2. 轫致辐射（Bremsstrahlung）：当高速电子在靠近原子核的强电场中被散射时，电子的一部分动能转化为光子的能量辐射出去，产生连续谱X射线的过程称为轫致辐射。该辐射的频率上限同样由入射电子能量限定。因此，X射线管输出包括从零到管电压对应能量的连续轫致辐射谱，以及少数几个在特征线处出现的强峰。

以上两个过程的能量转换效率其实都很低，在典型医疗或实验设备中，通常只有约1%的电能会转化为X射线，其余则以热量的形式散逸。因此，实际应用的X射线管需要有良好的散热设计来应对多余热量。而在医学诊断中使用的X射线对应光子能量范围约20~150 keV，常采用钨或5%铼与95%钨的合金作为靶材, 以便更好地导出和散发热量。在晶体学研究中，常用铜靶，也会在样品含铁时使用钴靶以避免荧光信号干扰；若需更低能量，如X射线光电子能谱（XPS），则通常采用铝或镁作为靶材来产生Kα线。

同步辐射（SynchrotronRadiation）是带电粒子在磁场中做高速圆周运动时发出的电磁辐射。这种现象最早由天文学家在宇宙射电源中发现，后来在高能加速器中得到验证。与普通的X射线管不同，同步辐射光源产生的X射线具有高亮度、宽频谱、优异的准直性以及高度偏振等特点，因此在物理、化学、生物、材料科学和医学等领域得到广泛应用。

当电子以接近光速（通常能量为GeV量级）在储存环中运动时，通过磁场区域（如弯铁或波荡器）会发生偏转。根据经典电动力学，带电粒子加速时会辐射电磁波。在相对论效应下，电子辐射的能量集中于其运动方向的前向锥角内，形成强烈的连续频谱辐射，覆盖红外至硬X射线波段（0.1 keV至数百keV）。辐射强度与电子能量、磁场强度及插入件（如波荡器）的参数密切相关。

同步辐射光源产生的X射线亮度比常规X射线管高106~1012倍，可探测微量样品，且波长连续可调，适配不同实验需求。但受限于设施规模庞大，建设和运维成本高，实验需依托大型科研平台，用户使用竞争激烈。

宇宙中的X射线辐射主要源自极端物理环境下的高能天体过程，包括黑洞吸积、中子星表面活动、超新星爆发遗迹以及活动星系核喷流等。这些天体通过热辐射、非热辐射和粒子加速等机制，将引力能、磁能或动能转化为X射线光子（能量范围0.1~100 keV）。X射线观测为研究致密天体、宇宙加速器和星际介质提供了关键窗口。

热辐射机制

在温度超过106 K的高温等离子体中，自由电子与离子碰撞时产生热轫致辐射，辐射谱呈现连续特征。例如星系团内介质，星系团间气体在引力压缩下加热至数千万开尔文，释放软X射线（0.5~2 keV），其辐射强度与气体密度平方成正比。而超新星遗迹激波加热周围星际物质至高温，也能产生如蟹状星云中心区域的X射线辐射。

致密天体表面产生的热辐射也能释放X射线，例如中子星可以通过强磁场将吸积物质引导至磁极，撞击表面形成局部高温区域（温度可达107~108 K），从而释放X射线。黑洞吸积盘内缘的高温物质因粘滞耗散加热，产生多色黑体辐射，峰值位于X射线波段（如黑洞双星系统Cygnus X-1）。

非热辐射机制

相对论性电子在天体磁场中偏转时，释放的同步辐射可以产生X射线，其辐射强度与电子能量和磁场强度相关。年轻脉冲星如蟹状星云脉冲星）通过高速旋转磁层加速电子，产生宽频同步辐射，延伸至硬X射线波段（>10 keV）。活动星系核产生的喷流中，磁化等离子体加速电子到相对论速度，也能形成X射线辐射（如类星体3C 273）。

天体的逆康普顿散射中，高能电子与低能光子碰撞，也能将光子能量提升至X射线波段。例如X射线双星，吸积黑洞附近的紫外光子被喷流中的高能电子散射，产生硬X射线（如微类星体SS 433）。一些天体产生的伽马射线暴的余辉，激波加速的电子与背景光子相互作用，产生X射线余辉辐射。

投影放射学

投影放射学（Projectional radiography）是通过X射线生成二维影像的技术。骨骼因含有高浓度钙元素，能有效吸收X射线，使骨骼在影像中因遮挡X射线而清晰显影。肺部和积气区域因吸收率低于软组织亦清晰可见，但不同软组织间的对比度较低。投影放射学可用于检测骨骼系统病变及部分软组织疾病，例如炎症、癌症和结石等等。而在牙科X光常用于诊断龋齿等常见口腔问题。在医学诊断中，低能X射线（软X射线）因会被人体完全吸收（增加辐射剂量却无助于成像）而需要被过滤。通常会在X射线管窗口处放置薄铝片（称为X射线滤光片）以吸收光谱中的低能部分，此过程称为射线硬化。

计算机断层扫描（CT）

计算机断层扫描是现代医学放射学的典型应用，基于X射线的穿透特性，不同组织对X射线的吸收程度不同，形成不同的图像对比度。因此，仪器通过从不同方向拍摄大量二维X射线图像，生成特定身体部位的断层图像，这些横断面图像可合成三维体内影像。CT具有较高的空间分辨率和较快的扫描速度，因此是一种经济而快捷的诊断方式，适用于多医学学科的诊断与治疗，在急诊、肿瘤筛查和器官评估中具有重要应用。

随着CT技术的发展，近年来出现了更为先进的技术，如螺旋CT和多层螺旋CT，这些技术能够提供更高的图像质量和更低的辐射剂量。此外，现代CT系统还结合了多种成像模式，如增强CT，可以通过注射对比剂来提高图像的对比度，帮助医生更好地观察血管和器官的细节。

X射线材料检测是一种基于X射线与物质相互作用原理的无损检测技术，广泛应用于工业制造、材料科学、建筑工程等领域。该技术通过分析X射线穿透材料后的衰减、衍射或荧光信号，可获取材料内部结构、成分分布及缺陷信息，具有非破坏性、高分辨率和高灵敏度等特点。因此X射线的主要应用领域有：

工业无损探伤：X射线透射成像可检测金属铸件、焊接接头、复合材料中的裂纹、气孔、夹杂等缺陷。例如，在航空航天领域，钛合金发动机叶片内部微米级缺陷的检出率可达99.5%。

材料成分分析：X射线荧光光谱（XRF）技术通过测量元素特征X射线能量与强度，实现材料成分快速分析。便携式XRF设备已用于：考古文物合金成分鉴定和电子产品有害物质（如铅、镉）合规性检测等。

晶体结构表征：X射线衍射（XRD）通过布拉格方程（2dsinθ=nλ）解析材料晶格参数、物相组成及残余应力。典型案例包括：钢材中奥氏体与马氏体的相变分析，锂离子电池正极材料的结晶度评估等。

三维结构重建：工业CT技术结合X射线透射与计算机断层成像，可非破坏性获取材料内部三维结构，应用于：增材制造（3D打印）零件的孔隙率测量，化石或文物内部包裹体的数字化复原等。

X射线天文学是天体物理学的重要分支，专注于研究宇宙中发射X射线的高能天体与现象。由于地球大气层对X射线的强烈吸收，此类观测需依赖太空望远镜。自20世纪60年代起，X射线天文学揭示了黑洞、中子星、超新星遗迹等极端天体的物理机制，革新了人类对宇宙高能过程的理解。

1949年，美国首次通过V-2火箭搭载X射线探测器，发现太阳的X射线辐射。1962年，贾科尼（Riccardo Giacconi）团队发现首个宇宙X射线源“天蝎座X-1”，标志着X射线天文学诞生。1970年，美国发射首颗专用X射线卫星“乌呼鲁”（Uhuru），编目超过300个X射线源。1999年，“钱德拉X射线天文台”升空，其角分辨率达0.5角秒，相当于从2公里外阅读报纸标题。

进入21世纪以来，欧洲“XMM-牛顿”、日本“朱雀”、中国“慧眼”（HXMT）等卫星相继投入运行，实现宽能段、高灵敏度观测。2020年，事件视界望远镜（EHT）结合X射线数据，首次揭示黑洞喷流与吸积盘的关联。

2025年5月17日，国家医保局微信公众号发文就“为什么便宜的X光检查越来越少，而贵的CT、增强CT、核磁共振、PETCT等项目越来越多？”进行释疑，X光检查在医院中应用减少，而CT、增强CT、MRI和PETCT等高端检查逐渐增多，主要是由于技术进步、临床需求变化、综合效益考量以及医疗资源配置等多个方面的原因。

X射线的发现归功于德国物理学家伦琴（Wilhelm Röntgen），他在1895年11月8日偶然发现了这一全新类型的射线。伦琴当时正在研究阴极射线，进行实验时为了防止外界光线的干扰，他将实验室的房间和放电管都用黑色硬纸包裹，确保不会有光线漏出。然而，当他切断电源后，他意外地发现距离实验台约一米的地方出现了荧光，发光源并不是阴极射线所能解释的。这一现象促使他进行了更为细致的实验，逐渐确定这是一种全新的射线，并将其命名为“X射线”（Röntgen, 1895）。

X射线具有许多独特的性质，包括能够穿透多种物质，如千页书、木板、硬橡胶和铝板等，但对铅板却几乎完全被吸收。伦琴还发现，X射线能够穿透人体软组织，清晰地显示骨骼结构。1895年12月28日，他向维尔茨堡物理医学学会提交了他的研究成果，发表了第一篇关于X射线的学术论文《一种新射线——初步报告》。

X射线的发现迅速引起了全球物理学家的广泛关注。1905年和1909年，巴克拉（Becquerel）等人分别研究了X射线的偏振现象，但当时学术界尚未明确X射线的本质。直到1912年，德国物理学家劳厄（Max von Laue）通过实验发现X射线在晶体中衍射现象，首次证明了X射线具有波动性质，并揭示了晶体内部结构的周期性。

劳厄的这一发现引起了英国布拉格父子的关注。他们最初尝试用X射线的微粒理论来解释晶体衍射，但未能成功。小布拉格（W.L. Bragg）经过反复实验，最终成功解释了这一现象，并提出了著名的布拉格方程，这一方程为后来的X射线晶体学分析提供了理论基础。

在布拉格父子的努力下，X射线成为了研究晶体结构的强大工具。老布拉格（W.H. Bragg）于1913年设计了世界上第一台X射线分光计，并利用这台仪器发现了特征X射线。此后，小布拉格与其父亲合作，利用X射线分析了金刚石的晶体结构，成功验证了化学家对碳原子四个键（化学键）按正四面体排列的猜想。这个发现极大地推动了X射线晶体学的发展，使其成为物理学和化学领域的基础技术之一。

进入21世纪，X射线的研究依然在不断发展。2023年，美国科研人员首次探测到了单个原子在X射线作用下产生的信号。这一突破性研究由美国俄亥俄大学和阿尔贡国家实验室等机构合作完成，成功探测到了分子框架中单个铁原子和单个铽原子的X射线信号，标志着X射线研究迈向了更精细的层面。

穿透作用：X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。

电离作用：物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。

荧光作用：X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。

热作用：物质所吸收的X射线可以被转变成热能，使物体温度升高。

干涉、衍射、反射、折射作用：这些作用在X射线望远镜、X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。

感光作用：X射线也能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。

着色作用：X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水，或引起晶体结构（元素化学价态）变化而改变颜色。

X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用X射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。

X射线属于电离辐射，其致癌性源于其对生物分子（尤其是DNA）的直接损伤和间接氧化应激效应。直接损伤包括：X射线光子能量足以使原子电离，直接击断DNA双链，导致染色体断裂、缺失或错误修复。而间接损伤有：辐射作用于水分子产生羟基自由基，引发DNA碱基氧化和蛋白质交联。

国际癌症研究机构（IARC）基于广岛/长崎原子弹幸存者队列研究、医疗辐射暴露数据及职业暴露研究，将X射线列为1类致癌物（明确人类致癌物）。长期追踪显示，每接受1 Sv（希沃特）辐射剂量，实体癌发病率增加约10%，白血病风险增加约12%。

其中，X射线的典型辐射相关癌症包括：白血病、甲状腺癌、乳腺癌等。病发来源不仅包含意外受到X射线过量辐射的事故，如核泄漏、工业设备误伤等，也包括一些使用辐射治疗疾病时，可能引起的并发症。例如，骨髓干细胞对辐射敏感，暴露后5~15年发病率显著上升；儿童期颈部放疗（如霍奇金病治疗）使甲状腺癌风险增加15倍；年轻女性胸部X光筛查（如肺结核监测）导致乳腺癌风险增加1.5倍。

X射线对人体的生物效应，与剂量、暴露时间和个体敏感性密切相关：

人体接收低剂量（<100 mSv（希沃特））X射线辐射时，通常无急性症状或短期反应，但在分子水平可见DNA损伤和细胞凋亡（UNSCEAR, 2008）。而长期暴露于低剂量X射线环境时，仍存在健康损害高风险，因为流行病学支持“线性无阈模型”（LNT），即任何剂量均可能致癌。例如，2001年的英国放射科医师队列研究显示，职业暴露年均5 mSv（希沃特）者，癌症死亡率比普通人群高8%。

人体接收中剂量（100–1,000 mSv）X射线辐射时，会产生血液系统损伤等症状，淋巴细胞计数下降，感染风险增加。例如，接受0.5 Sv（希沃特）全身照射者，1周内淋巴细胞减少50%（Dainiak, 2002）。核弹爆炸所产生的辐射也能处于中剂量范围，造成远期癌症风险，例如日本原子弹幸存者数据显示，接受1 Sv（希沃特）剂量者，实体癌终生风险增加42%。

人体接收高剂量（>1,000 mSv）X射线辐射时，会伴随急性放射病症状：

1~2 Sv（希沃特）：恶心、呕吐，骨髓抑制（2周内白细胞减少）。

4~6 Sv（希沃特）：胃肠道综合征（黏膜脱落、败血症），死亡率50%。

>10 Sv（希沃特）：中枢神经系统综合征（抽搐、昏迷），24–48小时内死亡。

对高等植物而言，暴露于中高剂量的X射线辐射下，也会产生异常现象。例如切尔诺贝利核事故后，暴露于300 mSv（希沃特）区域的松树，出现生长迟缓与针叶畸形，叶绿体结构破坏。对于动物，不同剂量的X射线能够促进细胞突变，造成潜在的遗传毒性和负面变异，从而造成寿命缩短、加速衰老等现象，甚至摧毁个体DNA而导致死亡。即使是生命力顽强的微生物，高剂量（>5 kSv（希沃特））也可以对细菌实现灭活。但也存在例外，耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）可以通过异常高效的DNA修复机制而存活，因此被应用于核污染环境修复工程。

对工业设备与材料，X射线也存在危害，例如引起电子器件故障、航天器失效、材料的老化与降解等等。地球同步轨道卫星长期暴露于宇宙辐射（含X射线）而存在隐患，其中典型事件为1996年的法国CERISE卫星失控事件，该卫星在长期宇宙辐射下出现内存错误而酿成事故。X射线也能通过断链反应破坏聚合物结构，例如剂量达10 kGy时，聚乙烯抗拉强度下降50%。X射线辐射还能诱导晶格缺陷，例如核反应堆钢构件在长期X射线辐照下的脆化（Zinkle & Busby, 2009）。

X射线防护遵循国际辐射防护委员会（ICRP）提出的 ALARA原则（As Low As Reasonably Achievable，合理可行最低剂量），通过三要素降低风险：缩短暴露时间（辐射剂量与时间成正比，尽量快速避开X射线源的直接照射）、增加与源的距离（剂量随距离平方衰减，尽快远离与X射线源）、有效屏蔽（根据射线能量选择材料，如使用铅或混凝土障碍物来阻挡）。