Po przekroczeniu granicznego progu napięcia (dla lampy miedziowej 8,7 kV, dla lampy molibdenowej 20,0 kV) dodatkowo powstaje widmo liniowe o określonej długości fali (widmo charakterystyczne). Związane jest ono ze zmianami energetycznymi elektronów w atomach tarczy anody. Dochodzi do wybicia elektronu z materiału anody i spowodowania przejścia atomu do stanu wzbudzonego.
Wolny poziom energetyczny wybitego elektronu zostaje zajęty przez elektron znajdujący się na wyższym poziomie, czemu" towarzyszy wypromieniowanie kwantu promieniowania rentgenowskiego. Z tego powodu długość tego promieniowania rentgenowskiego nie zależy ani od napięcia, ani od natężenia prądu anodowego. Widmo charakterystyczne składa się z kilku składowych. Uwzględniając orbitale elektronów podlegające przejściom, wyróżniamy podstawowe składowe Ka i Kp.
Widmo promieniowania rentgenow-skiego z lampy molibdenowej