发现x射线是在一个很偶然的机会，当时伦琴在进行阴极射线的试验，为了避免干扰他将管子密封了起来。使他吃惊的是他第一次发现放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出了微光，这引起了伦琴的极大兴趣，他连续几天废寝忘食地研究，终于确定了荧光屏上发出的光是由于射线管中发出的某种射线所致，它是一种鲜为人知的新射线。由于当时对这种射线的性质和属性了解甚少，所以就暂称它为x射线，表示位置的意思。
后伦琴又继续他的研究和实验，发表了好几篇有关x射线的论文，并且用这种射线拍摄了维尔茨堡大学著名教授克利克尔一只手的照片，从此引起了全世界的轰动。伦琴因此收到了世界各地的讲学邀请，但是除了一个例外以外，他均以委婉的说法谢绝了所有人的邀请，原因就是他要继续研究它的x射线。
这唯一的一个例外就是德国皇帝。1896年1月13日他给皇帝演示了他的x射线，并获得一枚勋章。
伦琴是一位谦虚而高尚的人，最初克利克尔教授提议将他发现的新射线定名为“伦琴射线”，他却一直坚持用“x射线”这一名称。并坚决拒绝高价换取他专利权的柏林电气协会。他所得到的诺贝尔奖金也交给了维尔茨堡大学作为科研经费。
伦琴把自己的一生全部献给了科学，对物质利益十分淡薄，他是第一个得诺贝尔奖金的人。他一生唯一的懊悔和遗憾是，1914年在德国主义休戚相关的宣言上签了字。为此他相当的苦恼，直至1923年2月10日在慕尼黑逝世前夕，也为此事内疚。
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