Рент­ге­нов­ские лучи (пер­во­на­чаль­но на­зван­ные Х-лу­ча­ми) были от­кры­ты в 1895 г. не­мец­ким фи­зи­ком Рент­ге­ном. От­крыв Х-лучи, Рент­ген тща­тель­ны­ми опы­та­ми вы­яс­нил усло­вия их об­ра­зо­ва­ния. Он уста­но­вил, что эти лучи воз­ни­ка­ют при тор­мо­же­нии на ве­ще­стве быст­ро ле­тя­щих элек­тро­нов. Ис­хо­дя из этого об­сто­я­тель­ства, Рент­ген скон­стру­и­ро­вал и по­стро­ил спе­ци­аль­ную труб­ку, удоб­ную для по­лу­че­ния рент­ге­нов­ских лучей (см. рис. 1).

Рент­ге­нов­ские труб­ки пред­став­ля­ют собой стек­лян­ные ва­ку­ум­ные бал­ло­ны с рас­по­ло­жен­ны­ми внут­ри элек­тро­да­ми. Раз­ность по­тен­ци­а­лов на элек­тро­дах нужна очень вы­со­кая  — до сотен ки­ло­вольт. На воль­фра­мо­вом ка­то­де, по­до­гре­ва­е­мом током, про­ис­хо­дит тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия, то есть с него ис­пус­ка­ют­ся элек­тро­ны, ко­то­рые, уско­ря­ясь элек­три­че­ским полем, «бом­бар­ди­ру­ют» анод. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствия быст­рых элек­тро­нов с ато­ма­ми анода рож­да­ют­ся фо­то­ны рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на.

Было уста­нов­ле­но, что чем мень­ше длина волны рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, тем боль­ше про­ни­ка­ю­щая спо­соб­ность лучей. Рент­ген на­звал лучи с вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью (слабо по­гло­ща­ю­щи­е­ся ве­ще­ством) жёстки­ми.

Раз­ли­ча­ют тор­моз­ное и ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние. Элек­тро­ны могут, встре­ча­ясь с ано­дом, тор­мо­зить­ся, то есть те­рять энер­гию в элек­три­че­ских полях его ато­мов. Эта энер­гия из­лу­ча­ет­ся в виде рент­ге­нов­ских фо­то­нов. Такое из­лу­че­ние на­зы­ва­ет­ся тор­моз­ным. Тор­моз­ное из­лу­че­ние со­дер­жит фо­то­ны раз­ных ча­стот и, со­от­вет­ствен­но, длин волн. По­это­му спектр его яв­ля­ет­ся сплош­ным (не­пре­рыв­ным). Энер­гия из­лу­ча­е­мо­го фо­то­на не может пре­вы­шать ки­не­ти­че­скую энер­гию по­рож­да­ю­ще­го его элек­тро­на. Ки­не­ти­че­ская же энер­гия элек­тро­нов за­ви­сит от при­ло­жен­ной к элек­тро­дам раз­но­сти по­тен­ци­а­лов.

Ме­ха­низм по­лу­че­ния ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го из­лу­че­ния сле­ду­ю­щий. Быст­рый элек­трон может про­ник­нуть внутрь атома и вы­бить какой-либо элек­трон с одной из ниж­них ор­би­та­лей, то есть пе­ре­дать ему энер­гию, до­ста­точ­ную для пре­одо­ле­ния по­тен­ци­аль­но­го ба­рье­ра. Об­ра­зо­вав­ша­я­ся в ре­зуль­та­те вы­би­ва­ния ва­кан­сия за­пол­ня­ет­ся элек­тро­ном с од­но­го из вы­ше­ле­жа­щих уров­ней. За­ни­мая более низ­кий уро­вень, элек­трон из­лу­ча­ет из­ли­шек энер­гии в форме кван­та ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее быст­рые элек­тро­ны могут вы­бить элек­трон с K-обо­лоч­ки, менее быст­рые  — с L-обо­лоч­ки и т. д. (рис. 2а).

Элек­трон­ная струк­ту­ра атома  — это дис­крет­ный набор воз­мож­ных энер­ге­ти­че­ских со­сто­я­ний элек­тро­нов. По­это­му рент­ге­нов­ские фо­то­ны, из­лу­ча­е­мые в про­цес­се за­ме­ще­ния элек­трон­ных ва­кан­сий, также могут иметь толь­ко стро­го опре­делённые зна­че­ния энер­гии, со­от­вет­ству­ю­щие раз­но­сти уров­ней. Вслед­ствие этого ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние об­ла­да­ет спек­тром не сплош­но­го, а ли­ней­ча­то­го вида. Такой спектр поз­во­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ве­ще­ство анода  — от­сю­да и на­зва­ние этих лучей. На рис. 2б по­ка­зан ха­рак­те­ри­сти­че­ский спектр на фоне тор­моз­но­го спек­тра.