Die charakteristischen Röntgenstrahlen werden emittiert, wenn ein Elektron (in Atom) von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedriger Energie übergeht, um die Lücke zu füllen. Beispielsweise gehen die Elektronen in Kα-Röntgenreihen vom Hochenergiezustand in die K-Hülle des Atoms über. Die Frequenz charakteristischer Röntgenstrahlen hängt mit der Ordnungszahl des Zielelements nach dem Moseleyschen Gesetz zusammen: √ν = a (Z - b). Die Frequenz charakteristischer Röntgenstrahlen hängt vom Zielmaterial ab (unabhängig vom Beschleunigungspotential).