到了19世纪末期，物理学已能令人满意地勾画出自然现象及其相互关系的图像，并且似乎达到了相当完善的程度。看来，一切都好像很适合一般的力学概念，甚至包括电、磁、光等现象。许多人认为牛顿的物理学是无所不包、无所不能的，它能“概括”宇宙中最大的物体运动和最小的原子运动。许多物理学家们觉得，他们已经完成了他们应该做的全部工作。当时有一位著名的科学家在1893年发表演说，认为可能物理学的所有伟大发现都已完成。他把科学的发展状况及历史，精心地编制成纲目。他说：以后的物理学家们除了重复及改良过去的实践，使原子量或一些自然常数增加些小数点位数以外，将再也不会有什么事可做了。这种言论在当时来说，是有一定代表性的。在一些伦琴人看来，“科学的大厦已经建成”，人类对自然界的认识已经到了顶点，经典物理学已经发展到“终极理论”，科学似乎已完成了历史使命。
可是，就在两三年以后，即在19世纪的最后几年里，一些轰动世界的革命性发现无情地冲击了物理学界的保守观点。活生生的客观事实使一些科学的“顶峰论”者目瞪口呆。这些事实也使一些原来已经认为熟悉了这个物质世界的人们，立即又感到并不完全熟悉了，对某些领域又感到陌生了：对于从前蛮有信心地描绘的那个“简单”、“纯朴”、“有秩序”的世界，立刻又产生了怀疑。
1895年11月8日的傍晚，德国物理学家伦琴（1845～1923年）正在沃兹堡大学的一个实验室，做一项有关阴极射线的实验。阴极射线实验是在抽空的电子管中，由阴极发出的电子在电场加速下所形成的电子流。确认电子的存在，是两年以后的事情。
伦琴用黑纸将阴极射线管完全掩遮好，使之与外界相隔绝，然后把窗帘放下，打开高压电源，以便检查有没有光线从管中漏光。突然，他发现有一道绿光从附近的一个板凳射出，掠过他的眼前。他把高压电源关掉，光线也随着消失。奇怪！板凳怎么会发射出光来呢？“留心意外的事情”是科学研究工作者的座右铭。伦琴马上点了灯，照了照板凳，发现那里摆着的原来是自己做其他试验时用的一块硬纸板，硬纸板上涂了一层荧光材料（氰亚铂酸钡的晶体）。
伦琴拍摄的一张X射线照片，伦琴夫人的手骨与戒指伦琴感到十分惊讶。从阴极射线管中散出的阴极射线有效射程仅有一英寸（1英寸=2.54厘米），显然是不会跑出这么远的。那么是什么使荧光材料闪出光亮的呢？伦琴很快意识到有某种崭新的未知光线发现了。这种未知光线从阴极射线管发出，穿过了黑纸包层，射到了硬纸板上，激发了涂料的晶体发出荧光。
对大自然最细致的超出常轨的举动，要加以注意，对那些意外事件进行研究，这是科研工作能取得成果的秘诀之一。在这里，最需要的是始终不懈的敏感性。因为“机遇只垂青那些懂得怎样追求它的人”。伦琴为此惊喜万分，再次打开开关，随手拿一本书挡在阴极射线管与硬纸板之间，发现硬纸板依然有光。
伦琴激动得难以控制自己，一连几天几夜关在实验室里继续实验。他先后在阴极射线管和硬纸板之间放了木头、乌木、硬橡胶、氟石以及许多种金属，结果发现这种未知的光线仍然能够照直穿透这些物质。只有铝和铂挡住了这种光线。
伦琴的妻子对于伦琴总是迟迟不回家很生气。于是伦琴把她带到实验室里，把用一张黑纸包好的照相底片放在她的手掌下，然后用阴极射线管一照，拍下了历史上最著名的一张照片。冲洗出来的底片清楚地呈现出伦琴夫人的手骨结构，手上那枚金戒指的轮廓也清晰地印在上面。
克鲁克斯伦琴当时无法说明这种未知的射线，就用代数上常用来求未知数的“X”来表示，把它定名为X射线。实际上后来才知道，X射线是由阴极射线打在阳极靶上而获得的。伦琴经过了一连7个星期废寝忘食的紧张工作，终于在12月28日完成了举世轰动的科学报告。不久，世界上各大报纸都报道了这一重要新闻。这时，有一些物理学家们才开始懊悔自己没有追究实验室内照相底片“走光”的问题，也有的物理学家责备自己把照相底片感光，错误地归于阴极射线的作用结果。还有一位物理学家声称，他发现X光是在伦琴之前，只是由于不愿中断正常的研究工作，而未发表。的确，这个发现完全有条件在20年前的任何实验室完成。可是，如果伦琴对这一“科学的闪光”漫不经心，轻意放过这一重要线索，或是不深入思索，轻率地把它归于任何一种别的原因，那么X光还是发现不了。
伦琴的这个发现并不是偶然的。因为早在1878年8月英国物理学家克鲁克斯的工作就曾轰动一时。那时克鲁克斯就根据自己的研究在英国皇学会作了讲演，他说：“这些真空管中出现的物理现象揭示出物理学的一个新世界。”但他不正确地把阴极射线归于物质的第四态了，他认为阴极射线是“超气态”。德国的勒纳受克鲁克斯的影响，进行了研究，并于1893年公布了关于阴极射线的研究报告。
伦琴在他们研究的基础上，进而通过试验发现，这种X射线不是像阴极射线那样随磁场偏转，它似乎发生在真空管中阴极射线照射的地方。因为他发现，当阴极射线随着磁铁偏转时，X射线的发源点也跟着移动。例如让阴极射线照射铂，产生的X射线远远比在铝、玻璃和其他物质中产生的X射线强。此外，尽管伦琴利用了区分普通光的梭镜，并没有观察到X光的折射，利用透镜也没有观察到反射和聚焦。显然，X光与普通光是不同的。
现代的医用X光机1901年，当瑞典科学院颁发第一次诺贝尔奖金时，物理学奖的选择对象自然落在伦琴身上。伦琴成名以后，反对用自己的姓名来命名X射线。同时他还谢绝了巴伐利亚王子所授予他的贵族爵位，并因此受到贵族的冷遇。他把他获得的全部诺贝尔奖金都捐献给了自己的工作单位沃兹堡大学物理实验室作为研究费用。他说：“我认为发明和发现都应属于整个人类。”伦琴的无私精神受到了世界各国人民的高度赞扬。
X射线在后来一直到今天，得到了广泛的应用，工业上用于金属探伤，医院里用它来透视人体的心肺、脏腑和骨胳，已经成了重要的医疗设备。对于X射线的研究，不久又促成了天然放射性的发现。因此，可以说X射线是原子世界透出的一道曙光，为人们深入观察原子及其运动带来了光明。