X선(X-ray)은 파장이 대략 10~0.01 나노미터(nm)이며, 주파수가 약 3×10¹⁶ 헤르츠(Hz)에서 3×10¹⁹ 헤르츠(Hz) 사이에 해당하는 전자기파이다. 이는 자외선보다 짧은 파장 영역에 속한다. "엑스선"이라고도 하며, 영어 명칭인 "X-ray"의 한글 표기로 "엑스레이"라고 부르기도 한다.
X선은 1895년 11월 8일, 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen, 1845~1923)이 독일 뷔르츠부르크 대학의 실험실에서 최초로 발견하였다. 뢴트겐은 미지의 방사선이라는 의미에서 이 발견에 "X선"이라는 이름을 붙였으며, 그의 이름을 따 "뢴트겐선(Röntgen radiation)"이라고도 불린다. 뢴트겐은 이 발견으로 1901년 제1회 노벨 물리학상을 수상하였다.
X선은 투과성이 강하여 물체의 내부 구조를 가시적으로 파악할 수 있다는 특징이 있다. 이 성질을 바탕으로 주로 의료 분야의 일반 영상 검사(단순 X선 촬영), 투시 검사, 혈관 조영 검사, 컴퓨터 단층촬영(CT) 검사 등에 널리 활용된다. 또한 산업 분야에서는 부품이나 용접 부위의 비파괴 검사, 공항 수하물 검색 등에도 사용된다.
X선의 발생 원리를 살펴보면, 가열된 음극 필라멘트에서 방출된 고속 전자가 무거운 원자로 구성된 양극 표적에 충돌할 때 발생한다. 발생 방식에 따라 두 가지로 구분된다. 첫째는 제동 복사(bremssstrahlung)에 의한 연속 X선으로, 전자가 원자핵의 쿨롱 힘에 의해 갑자기 진행 방향이 바뀌면서 에너지의 일부를 방출하여 생성된다. 둘째는 특성 X선(characteristic X-ray)으로, 원자 내부의 깊은 에너지 준위에 있던 전자가 제거된 후, 바깥쪽 궤도의 전자가 그 빈 자리를 채우면서 궤도 간 에너지 차이에 해당하는 방사선을 방출할 때 생성된다. 이때 특성 X선은 표적 원소에 따라 고유한 파장을 가지므로, 재료의 원소 분석 등에도 활용된다.
특성 X선의 계열은 파장이 짧은 쪽에서부터 K, L, M 계열로 구분된다. 예를 들어 K각의 빈 자리를 L각의 전자가 채울 때 Kα선, M각의 전자가 채울 때 Kβ선이 방출된다. 전자의 운동 에너지가 충돌 시 대부분 열로 전환되며, 1% 미만의 에너지만이 X선을 발생시키는 데 이용된다.
X선을 발생시키기 위한 진공관을 X선관(X-ray tube)이라고 한다. 일반적으로 음극에서 방출된 전자를 높은 전압으로 가속하여 양극 표적에 충돌시킴으로써 X선을 생성한다. 최근에는 유리 대신 금속과 세라믹 절연체로 만든 금속/세라믹 X선관도 사용되며, 이는 더 긴 수명과 높은 관전류 사용이 가능하다는 장점이 있다.
X선은 1912년 막스 폰 라우에(Max von Laue)의 예상에 기초하여 결정 격자에 의한 회절 현상이 확인되었고, 이후 윌리엄 헨리 브래그와 윌리엄 로런스 브래그가 1913년에 X선 분광기를 고안하여 브래그 법칙(Bragg's law, 2d·sinθ = nλ)을 수립하였다. 이를 바탕으로 X선은 결정 구조 분석, 즉 X선 결정학 분야의 핵심 도구로 자리 잡게 되었다. 라우에 법, 회전 결정법, 분말 결정법 등이 대표적인 X선 회절 분석 방법이다.
X선은 파장이 짧은 전자기파이므로 물질을 잘 통과하는 성질을 지니며, X선 회절을 이용한 물질 구조 분석과 인체 내부 관찰을 위한 조영 검사 등 그 응용 범위는 매우 넓다. 또한 X선의 발견과 이후의 우라늄 방사능 발견은 20세기 원자 물리학 발전의 중요한 단초가 되었다.
X선은 인체에 조사될 경우 생물학적 영향을 줄 수 있어, 의료 상의 과도한 노출 방지를 위한 방사선 안전 관리와 피폭 선량 최소화 원칙(ALARA)이 중요한 기준으로 적용된다.
