Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence (d'environ 30 pétahertz à 30 exahertz, ce qui correspond à des longueurs d'onde allant de 10 nanomètres à 10 picomètres) constitué de photons dont l'énergie varie d'une centaine d'eV (électronvolt) à une centaine de KeV.
Ce rayonnement a été découvert en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, qui a reçu pour cela le premier prix Nobel de physique ; il lui donna le nom habituel de l'inconnue en mathématiques, X. Il est naturel (cosmologie, astronomie) ou artificiel (radiologie) et résulte alors du bombardement d'électrons sur une cible généralement en tungstène. La principale propriété des rayons X est de traverser la matière en étant partiellement absorbés en fonction de la densité de celle-ci et de l'énergie du rayonnement, ce qui permet d'avoir une information sur l'intérieur des objets qu'ils traversent.
Les rayons X sont une des modalités principales de l'imagerie médicale et du contrôle non destructif. Ils sont également utilisés en cristallographie. En astrophysique contemporaine, on mesure les rayonnements X de l'espace pour l'étudier.
A la fin du XIXe siècle, Wilhelm Röntgen, comme de nombreux physiciens de l'époque, se passionne pour les rayons cathodiques qui ont été découverts par Hittorf en 1869 ; ces nouveaux rayons avaient été étudiés par Crookes. À cette époque, tous les physiciens savent reproduire l'expérience de Crookes mais personne n'a encore d'idée d'application de ces rayonnements.
En 1895, Wilhelm Conrad Röntgen reproduit l'expérience à de nombreuses reprises en modifiant ses paramètres expérimentaux (types de cibles, tensions différentes, etc.). Le 8 novembre 1895, il parvient à rendre luminescent un écran de platinocyanure de baryum. Röntgen décide alors de faire l'expérience dans l'obscurité en plongeant son tube de Crookes dans un caisson opaque. Le résultat est identique à la situation normale. Röntgen place ensuite différents objets de différentes densités entre l'anode et l'écran fluorescent, et déduit de son expérience que le rayonnement traverse la matière d'autant plus facilement que celle-ci est peu dense et peu épaisse. Lorsqu'il place des objets métalliques entre le tube et une plaque photographique, il parvient à visualiser l'ombre de l'objet sur le négatif.
Röntgen en déduit que les rayons sont produits perpendiculairement à la direction d'émission des électrons du tube et que ce rayonnement est invisible et très pénétrant.
Leur origine étant alors encore inconnue, Röntgen les baptise « rayons X », nom qui leur est resté dans la plupart des langues (dans certaines langues, on leur donne un nom équivalent à « rayonnement de Röntgen » : Röntgenstrahlung en allemand, röntgenstraling en néerlandais, etc.). L'autre nom de la radiologie est encore aujourd'hui la röntgenologie.
Le premier cliché célèbre est celui de la main d'Anna Bertha Röntgen réalisé le 22 décembre 1895 (pose de 25 minutes) ; il s'agit de la première radiographie. Un mois plus tard, Jean-Alban Bergonié reproduit à Bordeaux l'expérience de Röntgen, avant que ce dernier publie officiellement.[réf. nécessaire]
Le 28 décembre 1895, Röntgen publie sa découverte dans un article intitulé « Über eine neue Art von Strahlen » (en français : « À propos d'une nouvelle sorte de rayons ») dans le bulletin de la Société physico-chimique de Wurtzbourg. C'est cette découverte qui lui vaudra le premier prix Nobel de physique en 1901.
Il tire quatre conclusions dans son article :
les rayons X sont absorbés par la matière ; leur absorption est fonction de la masse atomique des atomes absorbants ;
les rayons X sont diffusés par la matière ; c'est le rayonnement de fluorescence ;
les rayons X impressionnent la plaque photographique ;
les rayons X déchargent les corps chargés électriquement.
La recherche de Röntgen est rapidement développée en dentisterie, puisque deux semaines plus tard, le Dr Otto Walkhoff réalise à Brunswick la première radiographie dentaire. Il a fallu vingt-cinq minutes d'exposition. Il a utilisé une plaque photographique en verre, recouverte de papier noir et d'une digue en caoutchouc. Six mois après paraît le premier livre consacré à ce qui va devenir la radiologie dont les applications se multiplient, dans le cadre de la physique médicale, pour le diagnostic des maladies puis leur traitement (radiothérapie qui donne une expansion extraordinaire à ce qui était jusque-là l'électrothérapie). Avant la fin de l'année 1896, Otto Walkhoff et Fritz Giesel ouvrent le premier laboratoire de radiologie dentaire.
Les temps d'exposition sont alors longs et les effets secondaires notables. Les cas de brûlures sont nombreux. Certains praticiens, ne voyant pas le lien entre l'exposition aux rayons X et les brûlures, concluent qu'elles sont dues aux rayons ultraviolets. Certains hésitent toutefois à réaliser des clichés radiologiques sans nécessité. De plus, tous les praticiens ne relèvent pas les mêmes effets : le Dr Williams, en 1897, indique que sur 250 patients exposés aux rayons X, il n'a noté aucun effet secondaire indésirable. Toutefois, il ne faudra pas longtemps pour qu'un lien causal soit établi entre l'exposition prolongée aux rayons X et les brûlures : en 1902, le Dr E. A. Codman, recensant les préjudices causés par les rayons X, note qu'ils ont pratiquement disparu.
Röntgen laissa son nom à la première unité de mesure utilisée en radiologie pour évaluer une exposition aux rayonnements. Le symbole des röntgens est R.
La découverte de Röntgen fit rapidement le tour de la Terre. Elle suscita des expériences y compris en dehors des cercles scientifiques et marqua l'imaginaire de la culture populaire. Des chercheurs tels que Thomas A. Edison, Nikola Tesla, A. A. Campbell-Swinton firent immédiatement des expériences avec les rayons Röntgen. En novembre 1896, un inventeur américain, le Dr Robert D'Unger, proposa un telephot aux rayons X, censé permettre de transmettre les images par fil télégraphique.