由X射線管所得到的X射線，其波長組成是很複雜的。按其特徵可以分成兩部分：連續光譜和特徵光譜（圖1），後者只與靶的組成元素有關。這兩部分射線是基於兩種不同的機制產生的。
連續光譜
圖1 X射線管產生的X射線的波長譜目前還沒有一個簡單的理論能夠對連續光譜變化的現象給予全面的清楚的解釋，但套用量子理論可以簡單說明為什麼連續光譜具有一個短波極限。該理論認為，當能量為eV的電子和物質相碰撞產生光量子時，光量子的能量至多等於電子的能量，因此輻射必定有一個頻率上限νm，此上限值應由下面的關係式決定：
hνm=hC/λm=eV（1.5）
式中h為普朗克常數，C為光速。當V以伏特為單位，波長λ以埃為單位時，短波極限λm可以表示為：
λm=12395/V（1.6）
如果一個電子射入物質後在發生有效碰撞（產生光量子）之前速度有所降低，則碰撞產生光量子的能量就會減小。由於多種因素使得發生有效碰撞的電子速度可以從零到初速連續的取值，因而出現了連續光譜，其波長自λm開始向長波長方向伸展。但是，量子論的這個解釋並不能給出能量從電子傳遞到光子的機制。
實驗指出，X射線管對陰極所接受的能量與高壓V成正比，而輸出輻射能占所得總能量的百分數（式1.1）又與原子序數Z以及高壓V成正比，因此可推求出光譜的總能量（圖1中某一連續譜線下的面積）是和ZV2成正比的。可見，對於在一定條件（管電流i和管電壓V）下工作的管子，因為連續光譜的強度和對陰極元素的原子序數Z成正比，所以，當需要用“白色”輻射（即包含有所有波長的連續輻射）時，選擇重元素金屬作靶的管子將更為有效，例如，用鎢靶所得的“白色”輻射總能量是銅靶的2.6倍。從圖1中我們還應注意到，連續光譜是從短波極限處突然開始的，大部分能量都集中在接近短波極限的位置，高電壓對連續光譜有利。隨著使用電壓的增加，λm變短，“白色”輻射的能量相對更集中在短波極限一側的一個範圍內。在晶體衍射實驗中，只有Laue法和能量色散型衍射儀需要使用連續光譜的X射線；而在其它的晶體衍射方法中，通常則要求使用“單色”X射線，連續光譜對這些方法所得的結果是不利的。因為連續光譜是這些衍射方法的衍射圖背景產生的主要原因，此時需要適當選取X射線管的工作條件，同時需要採取必要的手段來避免連續光譜的不利影響。
特徵光譜
圖2 元素特徵X射線的激發機理陰極射線的電子流轟擊到靶面，如果能量足夠高，靶內一些原子的內層電子會被轟出，使原子處於能級較高的激發態。圖1.6b表示的是原子的基態和K、L、M、N等激發態的能級圖，K層電子被擊出稱為K激發態，L層電子被擊出稱為L激發態，依次類推。原子的激發態是不穩定的，壽命不超過10-8秒，此時內層軌道上的空位將被離核更遠軌道上的電子所補充，從而使原子能級降低，這時，多餘的能量便以光量子的形式輻射出來。圖2a描述了上述激發機理。處於K激發態的原子，當不同外層的電子（L、M、N…層）向K層躍遷時放出的能量各不相同，產生的一系列輻射統稱為K系輻射。同樣，L層電子被擊出後，原子處於L激發態，所產生一系列輻射則統稱為L系輻射，依次類推。基於上述機制產生的X射線，其波長只與原子處於不同能級時發生電子躍遷的能級差有關，而原子的能級是由原子結構決定的，因此，這些有特徵波長的輻射將能夠反映出原子的結構特點，我們稱之為特徵光譜。
元素的每條線光譜都是近單色的，衍射峰的半高寬小於0.01埃。參與產生特徵X射線的電子層是原子的內電子層，內層電子的能量可以認為僅決定於原子核而與外層電子無關，（外層電子決定原子的化學性質和它們的紫外、可見光譜），所以，元素的X射線特徵光譜比較簡單，且隨原子序數作有規律的變化，特徵光譜只取決於元素的種類而不論物質處於何種化學或物理狀態。各系X射線特徵輻射都包含幾個很接近的頻率。例如，K系輻射包含Kα1、Kα2和Kβ三個頻率，Kα1、Kα2波長非常接近，相距0.004埃，在實際使用時常常分不開，統稱為Kα線，Kβ線比Kα線頻率要高，波長要短一些（見圖1）。Kα線是電子由L層躍遷到K層時產生的輻射，而Kβ線則是電子由M層躍遷到K層時產生的（圖2a）。實際上L、M等能級又可分化成幾個亞能級，依照選擇法則，在能級之間只有滿足一定選律要求時躍遷才會發生。例如躍遷到K層的電子如果來自L層，則只能從LⅡ和LⅢ亞層躍遷過來；如果來自M層，則只能從MⅡ及MⅢ亞層躍遷過來。所以，Kα線就有Kα1和Kα2之分，Kβ線理論上也應該是雙重的，但是Kβ線的兩根線中有一根非常弱，因此可以忽略。
各個系X射線的相對強度與產生該射線時能級的躍遷機遇有關。由於從L層躍遷到K層的機遇最大，所以Kα強度大於Kβ的強度，而在Kα線中，Kα1的強度又大於Kα2的強度。Kα2、Kα1和Kβ三線的強度比約為50﹕100﹕22。考慮到Kα1的強度是Kα2強度的兩倍，所以，Kα的平均波長應取兩者的加權平均值：
λKα=（2λKα1+λKα2）/3
