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Die charakteristische Röntgenstrahlung entsteht, wenn ein PE des anregenden Elektronenstrahls im Atom der Probe ein kernnahes Elektron aus seiner Position schlägt. Diese Lücke wird sofort von einem energiereicheren Elektron aus einem höheren Orbital aufgefüllt. Die dabei freiwerdende Energie wird durch die Emission eines Photons als charakteristische Röntgenstrahlung abgeführt oder auf ein zweites Elektron übertragen (siehe Abschnitt „Auger-Elektronen“). Die Austrittstiefe der charakteristischen Röntgenstrahlung kann mehrere µm betragen. Die Energie bzw. die Wellenlänge der entstehenden Röntgenstrahlung ist charakteristisch für den Orbitalübergang und das ionisierte Atom, also elementspezifisch. Zusätzlich entsteht durch die Ablenkung bzw. Bremsung von Elektronen im elektrischen Feld der Atomkerne eine nicht elementspezifische Strahlung, die als Bremsstrahlung oder kontinuierliche Strahlung bezeichnet wird und im Spektrum als Rauschen oder Untergrundsignal auftritt. Durch geeignete Detektoren kann die Röntgenstrahlung, deren Intensität proportional zu der in der Probe enthaltenen Elementkonzentration ist, aufgenommen und qualitativ sowie quantitativ ausgewertet werden (siehe Artikel „EDX“).
Die am häufigsten verwendeten Detektoren sind dabei Energiedispersiven Röntgenspektroskopie Systeme (EDX – energieaufgelöste Röntgenstrahlung), bei denen durch einen Röntgendetektor und einen Vielkanalanalysator die Energie und die Intensität der erzeugten Röntgenquanten als Spektrum dargestellt und ausgewertet werden kann. Alternativ kann mit Wellenlängendispersiven Röntgenspektroskopie Systemen (WDX – wellenlängenaufgelöste Röntgenstrahlung) durch die Beugung der Röntgenstrahlung und die Verwendung von Zählrohren die Wellenlänge und die Intensität der erzeugten Röntgenquanten als Spektrum dargestellt und ausgewertet werden kann.