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X射线属于电磁波，以光速直线传播，服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律。X射线光子能量大、波长短，具有一些普通光线所没有的性质。
X射线的波长范围为0.01～10nm，介于紫外线与γ射线之间，能不同程度地穿透各种物质，波长愈短穿透能力愈强。
X射线穿过物质时，会与经过的物质发生相互作用，主要有光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射等，作用的总和效应使X射线发生了衰减。光子能量小时，主要是光电效应；中等能量时，以康普顿散射为主；能量大时，会产生电子对效应。诊断用X射线的能量范围多在20～100keV，产生的主要作用是光电效应和康普顿散射。
某些物质（如磷、铂氰化钡、硫化锌、钨酸钙）受X射线照射而激发，释放出可见的荧光，透视荧光屏、增感屏及影像增强器利用了这一特性。胶片乳剂中的溴化银由于X射线的电离作用，会发生光化学反应，经化学显影后，可以还原出黑色的金属银颗粒。
X射线的强度指单位时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积的光子数目和能量，常用质和量表示X射线的强度。
X射线的量指X射线束内的光子数目，常用X射线管的管电流mA与曝光时间s的乘积表示。X射线的质指X射线光子的能量，与X射线管的管电压有关，常使用“硬度”描述，硬度越大，穿透能力越强。临床应用时将X射线分为极硬、硬、软、极软：管电压在250kV以上产生极硬X射线，用于深部组织治疗；管电压为100～250kV时产生硬X射线，用于较深组织的治疗；管电压为20～100kV时产生软射线，用于透视和摄影；管电压为5～20kV时产生极软X射线，用于软组织摄影和表皮治疗。
人体组织结构的密度与影像密度是不同的概念。前者是指人体组织中单位体积内物质的密度，而后者则指X射线图像所示影像的黑白。形成人体的X射线影像的原因，一方面是由于X射线的穿透性、荧光作用；另一方面是当强度均匀的X射线穿透厚度不同、密度不同的组织后，由于衰减程度不同，到达荧屏或胶片上的X射线量有差异，形成明暗不同的影像。由于组织密度的高低与对X射线吸收剂量成正比，因此影像密度在一定程度上反映了组织密度。通常用高密度、中等密度和低密度表达荧屏或胶片上白影、灰影和黑影。人体组织密度发生改变时，则用密度增高或密度减低来表达。组织的密度与厚度都会影响成像的结果，例如，在胸部，肋骨密度高但厚度小，而心脏大血管密度低但厚度大，因此心脏大血管比肋骨的影像密度高；同样，胸腔大量积液的组织密度中等，但厚度大，其影像密度也高于肋骨的影像密度。