一般說來，在正常條件下的氣體都是不導電的。但在特定條件下，如在一個密閉玻璃容器的兩端裝上一對電極，并加上足夠高的電壓。與此同時，開動與玻璃容器相連接的抽氣系統，容器中的氣體壓力就將會逐漸下降。一旦氣壓降到幾毫米汞柱時(一個大氣壓相當于760毫米汞柱)，氣體就開始導電，在電極間可觀測到有電流通過，并可觀察到氣體放電產生的光柱，其顏色和容器內所充氣體的種類有關。如充氖氣，就呈現出紅色光；若充氬氣，則為淡紫藍色。生活中常見的霓虹燈和日光燈都是利用低壓氣體放電原理制成的。

    如果繼續抽氣，容器中的氣壓就會進一步下降，直到0.1毫米汞柱時，放電發光現象就會突然消失。若再把氣壓抽到0.001毫米汞柱以下，就能在陰極對面的容器壁上觀察到熒光。這好像是從陰極上發射出了什么東西，打到對面玻璃壁上使得玻璃發光。當時人們把從陰極上發射出的東西叫做“陰極射線”，這種用來研究氣體放電的玻璃容器叫做“陰極射線管”。

    德國物理學教授倫琴就是利用這種陰極射線管進行科學研究的杰出代表，并用它在1895年12月28日發現了X射線。

    當時倫琴正對陰極射線進行仔細觀察研究，突然發現放在一米外涂有亞鉑氰化鋇(它是一種熒光物質)的紙上也能發出一種青綠色的熒光。如果去掉陰極射線管上的高電壓，陰極射線管停止工作，而亞鉑氰化鋇紙上的熒光也就同時消失。若再加上高電壓使陰極射線管重新工作，紙上的熒光就又重現。奇怪的是當把紙慢慢移遠時，竟然仍能見到閃爍的螢火。由此可知，紙上的熒光一定是由陰極射線管工作時所產生的。而當時已知的陰極射線只能穿過幾厘米厚的空氣層，故一定還有一種人們肉眼所不能見到的射線穿過陰極射線管的管壁，打在紙上，結果產生了熒光。

    倫琴為了對這種神秘的射線能有更進一步了解，他又繼續做了許多試驗。例如，他用黑紙把整個陰極射線管嚴密地包封起來。又在陰極射線管和涂有熒光物質的紙間放置上千頁厚的書，或幾厘米厚的木板，或幾毫米厚的鋁板等等。試驗結果發現，無論是紙、木板、玻璃，甚至金屬都不能擋住這種射線。這就說明所產生的射線確有很強的穿透能力。由于當時倫琴對這種射線的性質還不分清楚，故就把它叫做“X射線”。后人為了紀念倫琴的功勛，也稱之謂“倫琴射線”。

    另外，倫琴還發現X射線能穿過墻壁，使相鄰房間內的膠片感光。同時又發現它雖能容易地透過薄而輕(即密度小)的物質，但對厚而重(即密度大)的物質卻很難穿過。例如，倫琴曾在暗室里把某種柔軟物質或金屬鑰匙之類的硬物質放在照相底版上。然后，用X射線對準底片進行照射(也稱曝光)，結果發現射線能全部穿透柔軟物質使底片全部曝光。但在放有金屬鑰匙的底片上，卻清晰地看到了一個和鑰匙形狀一樣的未曝光區。

    倫琴的偉大發現是在1895年圣誕節后公諸于世的。當時立即引起了許多物理學家的注意。特別是醫生們在看到第一張顯示人體手骨骼的照片后就更為激動。從此，他們可利用 X射線拍片，察看病人的骨骼在何處破裂或直接尋找彈片和子彈在人體中的位置，以便及時治療。在第一次世界大戰期間，居里夫人就曾在法國部隊中，組織傷兵醫療服務隊，在戰地前線建立了第一座有 X光設備的醫療站，搶救和醫治了很多傷病員。而目前X射線在醫學上不論是診斷或治療邪得到了非常廣泛的應用。

    X射線的發現大大地推動了近代物理學的發展。就在倫琴發現X射線的第二年，法國人貝克勒爾從鈾鹽中發現了放射性。又過了一年，英國人湯姆遜發現了電子，等等。由于這些重大發現，就使得人們對物質結構的認識更加深化了，人們的思維已深入到原子內部，開始探索原子世界的奧秘了。