В зависимости от взаимного расположения ядра атома и окружающих его электронов внутренняя энергия атома может иметь ряд дискретных значений;
минимальное значение энергии из этого ряда соответствует нормальному или основному состоянию атома, любое другое – возбужденному состоянию.
В нормальном состоянии свободный атом может находиться неограниченное время, в возбужденном - не более 10 нс. В нормальном состоянии атом электрически нейтрален, число электронов в нем равно атомному номеру элемента в периодической системе Менделеева.
Электроны в атоме располагаются на строго определенных энергетических уровнях – электронных оболочках.
Электронные оболочки обозначают (в порядке удаления от ядра) символами К, L, М, N, О, Р, Q. Каких либо промежуточных значений энергии в атоме электрон иметь не может, а также не может быть двух электронов, которые находились бы в одном энергетическом состоянии. Поэтому распределение электронов в атоме происходит по следующему принципу:
- в первую очередь электрон занимает ту оболочку, на которой он обладает наименьшей энергией и имеет наибольшую силу притяжения к ядру, т.е. занимает ближайшую к ядру оболочку;
- следующий электрон занимает оболочку, соответствующую более высокому уровню энергии и остающуюся еще свободной и т.д.
При поглощении атомом поступающей извне энергии его электроны переходят на более высокие энергетические уровни (на более отдаленные от ядра оболочки).
Освободившееся место в оболочке заполняется электронами с более удаленных от ядра оболочек.
При таком переходе излучается избыток энергии в виде кванта электромагнитного излучения (фотона), энергия которого Е = Е2 - El = hϑ, где Е1 - уровень, с которого отрывается электрон при захвате энергии извне, Е2 - уровень, с которого электрон переходит на освободившееся место; Е2 > El, h = 6,63 
Дж∙с - постоянная Планка, ϑ - частота излучения, 
.
Таким образом, рентгеновское и гамма-излучения, как и световые, ультрафиолетовые и радиоволны, имеют электромагнитную природу.
Если длина волны 
видимого света (4...7) 
м, то рентгеновского излучения (6 10-13... м); гамма-излучения (10-13...4 
м).
Особые свойства рентгеновского и гамма-излучений:
- они обладают гораздо большей энергией;
- по-разному поглощаются разными средами;
- не подвергаются воздействию электрических и магнитных полей;
- действуют на фотопластину;
- вызывают люминесценцию некоторых химических соединений;
- ионизируют газы;
- нагревают облучаемое вещество;
- воздействуют на живые организмы.
Получение гамма-излучения. На практике чаще всего используют искусственные изотопы, ядерные реакции у которых вызывают бомбардировкой их ядра частицами с определенной кинетической энергией. Наиболее широко распространены реакции под действием нейтронов и дейтронов. Благодаря отсутствию заряда нейтрон легко проникает в атомное ядро и поэтому наиболее эффективен для осуществления ядерных реакций. При бомбардировке нейтронами ядро атома захватывает нейтрон, заряд ядра при этом не изменяется, но масса его увеличивается, в результате ядро оказывается в неустойчивом (возбужденном) состоянии, что и приводит к самопроизвольному его распаду.
Источниками нейтронов являются ядерные реакторы, нейтронные генераторы, а также естественные радиоактивные источники излучения.
Получение рентгеновского излучения. Для его получения используют рентгеновскую трубку, представляющую собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух (рис. 2.1).
1 - анод; 2 - электроны; 3 - катод; 4 - контакты нити накала; 5 - рентгеновское излучение.
Рисунок 2.1 – Схема рентгеновской трубки
В сосуд впаены два электрода – анод 1 и катод 3. Катод, изготовленный из вольфрамовой проволоки в виде спирали, нагревается источником тока до высоких температур и испускает электроны 2. Анод трубки изготавливают в виде пластины из вольфрама и молибдена. Чтобы электроны приобрели необходимую кинетическую энергию, к аноду и катоду трубки прикладывают высокое напряжение (более ЮкВ).Электроны, попадающие на анод с определенной скоростью, сообщаемой им электрическим полем высокого напряжения, тормозятся в нем, теряют свою скорость, а следовательно, кинетическую энергию. При этом кинетическая энергия электронов частично превращается в лучистую энергию, которая выделяется в виде фотонов тормозного излучения, используемого при дефектоскопии изделий, а большая часть ее (97%) переходит в тепловую.
Минимальная длина волны образующегося рентгеновского излучения соответствует максимальной энергии кванта. Энергия кванта определяется напряжением на трубке:
(2.1)
где e – заряд электрона, равный 1,6∙ 
, Кл;
U – напряжение на трубе, кВ;
С – скорость света, равная 3108 м/с;
Λ – длина волны, м.
Из формулы (2.1) видно, что энергетический спектр тормозного излучения определяется величиной напряжения на трубке. Поскольку электроны, испускаемые катодом, имеют непрерывное (максвелловское) распределение скоростей, энергетический спектр тормозного излучения имеет непрерывный характер, т.е. в нем присутствуют кванты со всевозможными значениями энергий – от нуля до какого-то максимального значения, отвечающего максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов.
В тех случаях, когда энергия электрона настолько велика, что выбивает электроны с внутренних оболочек атомов вещества анода, на фоне непрерывного (сплошного) спектра тормозного излучения возникает линейчатый (дискретный) спектр характеристического рентгеновского излучения (рис. 2.2).
Энергетический спектр характеристического излучения состоит из так называемых K-, L-, M- и N- серий, соответствующих значениям энергии перехода электронов с наружной оболочки соответственно на оболочки K, L, M, N.
Поскольку каждый химический элемент обладает только ему присущими энергиями связи электронов в атоме, каждому элементу соответствует определенный линейчатый спектр излучения. Характеристическое излучение используют при рентгеноспектральном анализе материалов.
Рисунок 2.2 – Сплошной (1) и линейчатый (2) спектры рентгеновского излучения для молибденового анода при U=35кВ