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고전 전자기 이론에 따르면 전자의 감속은 전파 안테나에서 가속된 전자가 전파를 발생시키는 것과 같이 전자기복사를 생성한다.

자기장이 X선을 편향시키지 못하는 것은 X선의 본질에 대한 이 고전적인 이론을 뒷받침하는 것으로 보인다. 파동이 존재한다는 결정적인 증거는 파동의 중첩원리에 의존하는 회절과 간섭현상을 관찰하여 알 수 있다. 그외에 편광효과가 관찰되면 파동이 횡파(진행방향에 대해 수직으로 진동함)라는 것이 증명된다. 이러한 효과들은 빛의 경우 X선이 발견된 1895년에 이미 잘 알려져 있었지만, 뢴트겐의 초기 실험에서의 이런 성질들이 X선에서는 발견되지 않았다.

1906년 영국의 물리학자인 찰스 글로버 바클라는 X선이 탄소 덩어리에 의해 어떤 방향으로 산란될 때 편광된다는 사실을 증명했다(바클라). 이 실험으로부터 X선은 파장만 다르고 빛과 똑같은 성질을 가진 횡파인 전자기파처럼 보였다.

많은 과학자들이 X선을 좁은 슬릿으로 통과시켜 회절무늬를 찾아 파동성을 보려고 시도했으며 이런 시도를 통해 X선의 파장이 약 1Å 정도인 증거가 나타났다. 1912년에 독일의 물리학자인 막스 폰 라우에는 X선의 파장을 측정하는 방법을 고안했다. 라우에는 결정 내에서 원자들이 약 1Å(10^－10m)의 간격으로 규칙적으로 배열되어 있다는 사실을 이용하여 단결정의 원자들이 X선 회절의 원인이 되는 격자역할을 할 것으로 결론지었다.

라우에의 동료들은 가는 X선 빔을 황화아연의 결정에 향하게 하고 그 뒤에 사진건판을 두었다. 그결과 생긴 사진은 중앙의 어두운 점과 복잡하지만 대칭적인 무늬의 점들로 이루어졌다. 중앙의 점은 결정을 직접 통과하는 X선으로 말미암은 것이며, 반면에 주위의 점들은 황화아연 결정의 원자들로부터 회절하여 생긴 것이었다. 이 실험은 X선이 1Å 정도의 파장을 갖는 파동임을 증명했으며 또한 결정은 규칙적인 격자구조로 배열된 원자들을 지닌다는 것을 확인했다(결정격자).

라우에의 실험 직후, 영국의 물리학자인 윌리엄 로렌스 브래그는 X선을 회절시키기 위한 또다른 기술을 개발했다(브래그). X선이 결정격자들의 원자들에 의해 어떻게 산란되는가를 고려함으로써, 그는 파장 λ의 X선을 결정격자면 사이의 간격이 d인 결정의 격자면에 대해 각도 θ로 조사할 때, 회절차수(回折次數)라고 불리는 정수 n과 파장의 곱이 격자면 간격과 회절각도를 곱한 값의 2배(nλ=2dsinθ)와 같으면 보강간섭이 일어난다고 결론지었다.

위의 방정식은 브래그 법칙이라고 알려져 있으며 X선 결정-회절 분광계의 기본이 된다. 이 이론을 이용하여 브래그는 검출기 안에서 각도의 함수로 이온화의 강도분포를 구했다. 이 분포는 X선이 표적물질의 특성을 나타내는 선 스펙트럼과 연속 스펙트럼의 2가지 형태로 이루어져 있음을 보여주었다.

브래그는 결정격자의 기하로부터 얻은 결정간격 d와 결정의 밀도, 그리고 단원자의 질량으로부터 특성 X선의 파장을 계산하고 이 파장이 흡수체의 원자량에 대략 역제곱으로 비례하여 변한다는 것을 보였다. 이 실험은 단파장의 X선이 장파장의 X선보다 덜 흡수된다는 사실을 이용하여 강도의 최고 값을 나타내는 두 영역을 발견한 바클라의 초기 결과를 확인했다.

1911년에 바클라는 장파장 쪽의 최대값을 L계열이라 하고 단파장쪽의 최대값을 K계열이라고 명했다.

1923년에 X선이 유리의 연마된 표면으로부터 반사된다는 것이 미국의 물리학자인 아서 홀리 콤프턴에 의해서 증명되었다(콤프턴). 그는 10분(10') 이하의 각도에서 강한 반사 빔이 거울반사법칙의 예측되는 방향에서 관측된다는 것을 알아냈다.

X선의 파동성을 나타내는 마지막 증거인 눈금격자에 의한 회절이 1925년에 관측되었다. 눈금격자의 눈금간격은 정확히 알 수 있기 때문에 이 방법은 X선 파장의 절대값을 구하는 데 사용되었다.