Jsou-li elektrony, emitované v důsledku termoemise ze žhavené katody rentgenové lampy, urychleny potenciálním spádem mezi katodou a anodou na energie větší, než jsou vazebné energie elektronů vnitřních sfér atomů anody, mohou ionizovat atomy anody na těchto vnitřních slupkách. Na uvolněné místo pak přichází elektron z některé vyšší energetické hladiny nebo volný elektron, a rozdíl energií se vyzáří ve formě fotonu. Jelikož se jedná o značné energetické rozdíly, má toto záření vlnové délky odpovídající rentgenovému záření. Atom každého prvku má své charakteristické hodnoty energetických hladin elektronů obalu; proto má každý prvek pro něho typické čárové spektrum, podle kterého může být identifikován. Proto se také toto rentgenové záření s čárovým spektrem nazývá charakteristické.