Le rayonnement caractéristique est un type d’émission d’énergie pertinent pour la production de rayons X. Cette émission d’énergie se produit lorsqu’un électron en mouvement rapide entre en collision avec un électron K-shell, l’électron dans le K-shell est éjecté (à condition que l’énergie de l’électron incident soit supérieure à l’énergie de liaison de l’électron K-shell) laissant derrière lui un « trou ». Un électron de coque externe remplit ce trou (de la coque en L, de la coque en M, etc. ) avec une émission d’un seul photon de rayons X, parfois appelé photon caractéristique, avec un niveau d’énergie équivalent à la différence de niveau d’énergie entre l’électron de la coque externe et interne impliqué dans la transition.

Par opposition au spectre continu du rayonnement de bremsstrahlung, le rayonnement caractéristique est représenté par un spectre de raies. Comme chaque élément a une disposition spécifique d’électrons à un niveau d’énergie discret, on peut alors comprendre que le rayonnement produit par de telles interactions est « caractéristique » de l’élément impliqué.

Par exemple, dans une cible de tungstène, les transitions d’électrons de la coque L à la coque K produisent des photons de rayons X de 57,98 et 59,32 keV. Les deux niveaux d’énergie résultent du principe d’exclusion de Pauli qui stipule qu’aucune particule de spin demi-entier (comme les électrons) dans un atome ne peut occuper exactement le même état d’énergie en même temps; par conséquent, la coquille K représente deux états d’énergie différents, les huit états de la coquille L et ainsi de suite.

Lorsqu’un électron tombe (cascade) de la coque L à la coque K, le rayon x émis est appelé rayon x K-alpha. De même, lorsqu’un électron tombe de la coque M à la coque K, le rayon X émis est appelé rayon X K-bêta 1. Cependant, il est possible d’avoir des transitions M-L et ainsi de suite, mais leur probabilité est si faible qu’elles peuvent être ignorées en toute sécurité.

Chaque élément diffère en énergies de liaison nucléaire, et le rayonnement caractéristique dépend de l’énergie de liaison d’un élément particulier.

Le rayonnement caractéristique n’existe jamais isolément et les spectres de raies sont généralement superposés aux spectres continus du rayonnement de bremsstrahlung.