Röntgensäteilyä tuotetaan lämmittämällä katodimateriaalia. Lämmitys tapahtuu sähkövirran avulla. Katodilta irtoaa elektroneja, joiden nopeus kasvaa sähkökentässä. Sähkökentän tekemä työ muuntuu levosta lähtevien elektronien liike-energiaksi.

[[$ \qquad\begin{align} W&=E_k \\ \, \\ qU&=E_k \end{align} $]]

Mitä suurempi jännite [[$U$]] on, sitä enemmän energiaa elektronit saavat. Jännitteet ovat tyypillisesti kymmeniä kilovoltteja aina sadan kilovoltin suuruusluokkaan saakka. Elektronit liikkuvat tyhjiöputkessa. Ne menettävät tyhjiöputkessa liikkuessaan energiaa mitättömän vähän. Elektronien liike pysähtyy, kun ne törmäävät anodimetalliin. Anodimetallina käytetään yleensä molybdeeniä tai volframia.

Video: Röntgenkuvauksen toimintaperiaate (Samun tiedekanava)

Elektronien ja anodimetallin vuorovaikutuksessa syntyy röntgensäteilyä. Nykyisissä röntgenputkissa anodimetalli on pyörimisliikkeessä, koska elektronien ja anodin vuorovaikutuksessa syntyy paljon lämpöä. Pyöriminen estää anodimetallin ylikuumenemisen ja tuhoutumisen. Ohessa on syntyvän röntgensäteilyn spektri.

Spektri koostuu kahdesta osasta, jatkuvan spektrin osasta sekä anodimetallikohtaisista intensiteettipiikeistä. Röntgensäteilyä syntyy siis kahdella eri tavalla. Kun elektronit osuvat anodimetalliin, metallin atomien ja elektronien välille syntyy sähköinen vuorovaikutus. Elektronien liike hidastuu, ja ne menettävät energiaansa. Energian menetys ilmenee syntyvänä säteilykvanttina. Säteilykvantin energian suuruus on tapauskohtainen, koska elektroni voi hidastua vuorovaikutuksessa eri tavoin. Fotonin energia on jotain maksimiarvon ja nollan välillä. Tällöin säteilykvantteja syntyy usealla eri aallonpituudella, ja muodostuu jatkuva spektri.

Spektrin aallonpituudella on alaraja. Tällöin elektroni on menettänyt kaiken liike-energiansa. Säteilykvantin energia on yhtä suuri kuin elektronin liike-energia.

[[$ \qquad \begin{align} E_k&=E_{\gamma} \\ \, \\ E_k&=\dfrac{hc}{\lambda} \end{align} $]]

Säteilykvantin lyhin aallonpituus kytkeytyy kiihdytysjännitteeseen. Sähkökentän tekemä työ muuntuu ensin elektronin liike-energiaksi, joka ääritapauksessa muuntuu kokonaisuudessaan säteilykvantin energiaksi.

[[$ \qquad \begin{align} W&=E_{\gamma} \\ \, \\ qU&=\dfrac{hc}{\lambda} \end{align} $]]

Röntgensäteilyn spektri muodostuu jatkuvasta osasta ja intensiteettipiikeistä. Jatkuva osa syntyy, kun elektronin liike hidastuu. Metalliin osuva elektroni voi vuorovaikuttaa myös elektroniverhon kanssa ja ionisoida atomin sen sisäkuorelta. Uloimmalta kuorelta siirtyy elektroni paikkaamaan sisäkuorelle syntynyttä aukkoa. Samalla vapautuu energiaa ulko- ja sisäkuoren välisen energiaeron verran. Vapautunut energia ilmenee säteilykvanttina. Koska energia voi olla vain tilojen välisen energiaeron suuruinen, säteilyä syntyy vain tietyillä aallonpituuksilla. Röntgensäteilyn spektrissä tämä havaitaan intensiteettipiikkeinä, joita kutsutaan ominaissäteilyksi. Ominaissäteilypiikkejä on hieman eri kohdissa spektriä, koska elektroni voi irrota sisimmän elektronikuoren lisäksi myös muilta elektronikuorilta.