Rentgenstarojums elektromagnētisko viļņu spektrā atrodas starp gamma un ultravioletā (UV) starojuma diapazoniem. Tam ir raksturīgs relatīvi liels iespiešanās dziļums vielā, īss viļņu garums un augsta enerģija, kā rezultātā rentgenstarojumam ir plašs pielietojumu klāsts medicīnā, zinātnē un industrijā. Kā jonizējošā starojuma veids tas ir bīstams dzīviem organismiem, tādēļ, ar to darbojoties, ir jāievēro atbilstošas radiācijas drošības prasības.

Par rentgenstarojumu dēvē elektromagnētisko starojumu, kura viļņa garums ir no 0,01 nm (atbilstošā frekvence: 30 EHz; fotonu enerģija: 124 keV) līdz 10 nm (30 PHz; 124 eV). Rentgenstarojumu mēdz iedalīt cietajā (hard X-rays), ja fotonu enerģija pārsniedz 5–10 keV, un mīkstajā (soft X-rays), ja enerģija ir mazāka. Robeža starp rentgenstarojumu un gamma starojumu pēc kvantu enerģijas nav definēta viennozīmīgi: ir pieņemts, ka gamma starojums ir saistīts ar procesiem atoma kodolā, bet rentgena starojums – ar elektronu pārejām apkārtesošajās orbitālēs.

Pēc fizikālās izcelsmes rentgenstarojumu klasificē nepārtrauktajā un raksturīgajā starojumā. Nepārtrauktais jeb bremzes starojums (Bremsstrahlung) rodas paātrinātu lādētu daļiņu, parasti elektronu, straujas bremzēšanās rezultātā. Šāda rentgenstarojuma enerģija veido nepārtrauktu spektru, kura sadalījumu nosaka paātrināto daļiņu kinētiskā enerģija. Raksturīgā rentgenstarojuma emisja ir saistīta ar jonizētu atomu atgriešanos elektroniskajā pamatstāvoklī. Novērojamās rentgenstarojuma enerģijas vērtības atspoguļo iespējamās elektronu pārejas, tiem aizpildot atomu iekšējo čaulu orbitāles, un tās ir katram ķīmiskajam elementam unikālas.

Fizikālie raksturlielumi nosaka rentgenstarojuma īpašības, ietekmi un pielietojumus. Īsais viļņa garums salīdzinājumā ar redzamo gaismu un UV starojumu sniedz iespēju pētīt sīkākas struktūras, ko izmanto rentgenstaru mikroskopijā un rentgenstaru difrakcijā. Relatīvi lielās caurspiešanās spējas dēļ cietos rentgenstarus var izmantot citiem elektromagnētiskā starojuma diapazoniem necaurlaidīgu objektu analīzei. Rentgenstarojuma fotoniem ir pietiekoši liela enerģija, lai jonizētu atomus un pārrautu molekulu saites. Rentgenstaru kā viena no jonizējošā starojuma veidiem iedarbība uz dzīviem organismiem var būt bīstama.

Jonizējošā starojuma iedarbības raksturošanai tiek lietoti vairāki parametri. Svarīgākie parametri jonizējošā starojuma iedarbības raksturošanai ir absorbētā doza (mērvienība: grejs, Gy), ekvivalentā doza (mērvienība: zīverts, Sv) un efektīvā doza, kurā papildus tiek ņemts vērā jonizējošā starojuma ietekmes faktors uz audiem. Galvenie principi, kas jāievēro radiācijas dozas samazināšanai, ir aizsardzība ar laiku, attālumu un ekranēšanu.

Rentgenstarojums tiešā veidā neizraisa redzes sajūtu, un tā fons uz Zemes ir relatīvi neliels, tādēļ šis spektra diapazons tika atklāts salīdzinoši vēlu. 1895. gadā, veicot eksperimentus ar katodstaru lampām, vācu fiziķis Vilhelms Konrāds Rentgens (Wilhelm Conrad Röntgen) novēroja nezināmas izcelsmes jeb X starus ar lielu caurspiešanās spēju. Rentgenstaru diapazonā nepieciešami specifiski avoti (rentgenlampas, cikliskie daļiņu paātrinātāji jeb sinhrotoni) un detektori (gāzizlādes skaitītāji, scintilatori un pusvadītāju detektori).

Rentgenstarojuma ietekmi nosaka tā mijiedarbība ar vielu. Galvenie efekti, ko vielā var ierosināt rentgena kvanti, ir fotoefekts (photoelectric effect), neelastīgā jeb Komptona (Compton) izkliede un elastīgā izkliede. Mīksto rentgenstaru apgabalā primārais mijiedarbības mehānisms ir fotoefekts, bet lielu kvantu enerģiju gadījumā dominē neelastīgās izkliedes parādība. Rentgenstaru absorbcijas, izkliedes un emisijas procesi ir viens no informatīvākajiem izziņas avotiem par vielas ķīmisko sastāvu un struktūru atomārā mērogā. Jāņem vērā, ka rentgenstari var izraisīt veidojošo atomu jonizāciju, ķīmisko saišu pārraušanu, defektu veidošanos un dažādu materiāla īpašību degradāciju. No vienas puses, rentgenstaru destruktīvo ietekmi var izmantot praktiskiem pielietojumiem, piemēram, sterilizācijā vai vēža terapijā. No otras – pārāk lielas starojuma dozas organismiem ir kaitīgas un var izraisīt dzīvībai bīstamas komplikācijas.

Rentgenstarojuma galvenās īpašības – atomārā mēroga viļņa garums, augstā individuālo kvantu enerģija un spēja iespiesties optisko starojumu necaurlaidīgos materiālos – paver iespējas daudziem medicīniskiem, zinātniskiem un industriāliem pielietojumiem.

Viens no pirmajiem rentgenstaru uzņēmumiem – V. Rentgena sievas Annes Bertas Ludvigas (Anne Bertha Ludwig) rokas skeleta attēls – norādīja uz starojuma pielietojamību medicīnā. Tā kā dažāda blīvuma audi rentgenstarus absorbē atšķirīgi, vienkārši projekcijas rentgenogrāfijas izmeklējumi ļauj vizualizēt cilvēka skeleta un mīksto audu patoloģijas. Datortomogrāfijas izmeklējumos tiek kombinētas ķermeņa šķērsgriezumu rentgenstaru attēlu sērijas, lai iegūtu trīsdimensionālu informāciju par diagnosticējamo orgānu. Rentgenstarus izmanto arī terapeitiskiem nolūkiem, piemēram, staru terapijā ļaundabīgu audzēju šūnu iznīcināšanai.

Pētniecības metodes, kurās izmanto rentgenstarus, ir sekmējušas kvantu fizikas ideju attīstību un ir neatņemama mūsdienu dabaszinātņu nozaru pētījumu sastāvdaļa. Rentgenstaru difrakcijas (X-ray diffraction, XRD) metode tiek izmantota materiālu kristāliskās struktūras pētījumiem atomārā mērogā. Vairāku spektroskopisko metožu – rentgenstaru absorbcijas (X-ray absorption), rentgenstaru fluorescences (X-ray fluorescence, XRF), rentgenstaru fotoelektronu spektroskopijas (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) – pamatā ir rentgenstaru un vielas mijiedarbības procesu analīze. Rentgenstaru mikroskopija ir komplementāra optiskajai un elektronu mikroskopijai, lai iegūtu informāciju par sīkām strukturālām niansēm pētāmajā objektā. Sevišķi augstas intensitātes sinhrotronu avotu attīstība ir pavērusi iespējas jauniem progresīviem pētījumu virzieniem. Novērojumiem rentgenstaru diapazonā ir liela nozīmē arī astrofizikā, jo par starojuma avotiem kalpo daudzi kosmiskie objekti. Tā kā Zemes atmosfēra ir rentgenstarojumam necaurlaidīga, pētījumiem šajā spektrālajā diapazonā ir jāizmanto kosmiskie mērinstrumenti.

Rentgenstarojumu izmanto arī daudzās citās nozarēs ārpus nosauktajiem medicīniskajiem un zinātnes pielietojumiem. Piemēram, bagāžas satura skenēšana ar rentgenstariem tiek izmantota drošības kontroles sistēmās lidostās, bet robežsardzē līdzīgā veidā tiek pārbaudīti transporta līdzekļi. Industrijā plaši izmanto rentgenstaru iespiešanās spēju vielā, lai veiktu produkcijas kvalitātes kontroli un defektu analīzi. Apstarošana ar rentgenstarojumu ir viena no metodēm, lai veiktu objektu attīrīšanu un sterilizāciju.