La radiazione caratteristica è un tipo di emissione di energia rilevante per la produzione di raggi X. Questa emissione di energia si verifica quando un elettrone in rapido movimento si scontra con un elettrone K-shell, l’elettrone nel K-shell viene espulso (a condizione che l’energia dell’elettrone incidente sia maggiore dell’energia di legame dell’elettrone K-shell) lasciando dietro di sé un “buco”. Un elettrone del guscio esterno riempie questo buco(dal guscio L, dal guscio M, ecc. ) con un’emissione di un singolo fotone a raggi X, a volte chiamato fotone caratteristico, con un livello di energia equivalente alla differenza di livello di energia tra l’elettrone del guscio esterno e quello interno coinvolto nella transizione.

Al contrario dello spettro continuo della radiazione di bremsstrahlung, la radiazione caratteristica è rappresentata da uno spettro di linea. Poiché ogni elemento ha una disposizione specifica di elettroni a livello di energia discreta, allora si può apprezzare che la radiazione prodotta da tali interazioni è “caratteristica” dell’elemento coinvolto.

Ad esempio, in un bersaglio di tungsteno transizioni di elettroni dal guscio L al guscio K producono fotoni a raggi X di 57,98 e 59,32 keV. I due livelli di energia sono il risultato del principio di esclusione di Pauli che afferma che non ci sono due particelle di spin semi-intero (come gli elettroni) in un atomo possono occupare esattamente lo stesso stato energetico allo stesso tempo; quindi il K-shell rappresenta due diversi stati energetici, il L-shell otto stati e così via.

Quando un elettrone cade (cascata) dal guscio L al guscio K, il raggio X emesso è chiamato raggio x K-alfa. Allo stesso modo, quando un elettrone cade dalla M-shell alla K-shell, il raggio X emesso è chiamato K-beta x-ray1. Tuttavia, è possibile avere transizioni ML e così via, ma la loro probabilità è così bassa che possono essere tranquillamente ignorate.

Ogni elemento differisce nelle energie di legame nucleare e la radiazione caratteristica dipende dall’energia di legame di un particolare elemento.

La radiazione caratteristica non esiste mai in isolamento e gli spettri di linea sono solitamente sovrapposti agli spettri continui della radiazione di bremsstrahlung.