Помимо лучей торможения, в рентгеновских трубках при определенных условиях могут возникать характеристические лучи. Так, например, если приложить к электродам трубки разность потенциалов, то при некоторой величине напряжения (при медном аноде в 70 кв) энергия полета электронов достигает таких величин, что при ударе их об анод выделяется энергия, достаточная, чтобы заставить электроны внутренних оболочек атомов вещества анода перескочить на внешние оболочки. Такие атомы становятся возбужденными, их энергия выше энергии нормальных атомов. Состояние возбуждения неустойчиво, и атомы возвращаются к своему обычному состоянию тем, что с их внешних оболочек электроны переходят на свободные внутренние оболочки. При переходе электронов с внешних оболочек на свободные внутренние оболочки выделяется лучистая энергия. Это и есть характеристическое излучение.
Следовательно, характеристическое излучение возникает в результате изменений во внутренних оболочках. атомов. Электронные оболочки в атоме строго определены для каждого элемента и зависят от его места в таблице элементов. Поэтому получаемые от данного атома вторичные лучи имеют определенную длину, характеризующую соответствующий элемент. Такие лучи называются характеристическими.