Согласно этой теории кристалл имеет три энергетических зоны – валентную зону, запрещенную зону и зону проводимости. В нормальных условиях, когда отсутствует ионизирующее излучение, электроны находятся в кристалле в валентной зоне. Получив избыток энергии от частиц или фотонов ионизирующего излучения, часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости, а на их месте в валентной зоне остаются "дырки". Если кристалл чистый, без дефектов, то через некоторое время электроны вернутся в валентную зону, испустив при этом кванты того же спектрального диапазона, что и при поглощении энергии ионизирующего излучения. В этом случае высвечивания в видимом диапазоне не происходит.
Однако если кристалл имеет в своей решетке дефекты, вызванные присутствием чужеродных атомов, то в запрещенной зоне образуются локальные энергетические уровни (L), способные захватывать электроны. В кристаллах такой структуры электроны, попавшие в зону проводимости, могут возвращаться в валентную зону не сразу, а поэтапно, делая попутно короткую остановку на локальном уровне L. Тогда поглощенная электронами энергия ионизирующего излучения испускается по частям и одна из этих частей может соответствовать видимому спектральному диапазону.
Дефекты кристалла играют важную роль в формировании квантов видимого света. Обычно эти дефекты создаются искусственно введением специальных веществ – примесей, называемых активаторами. Однако, концентрация активатора не может быть слишком большой, иначе будет нарушен остов кристаллической решетки. В большинстве случаев весовая концентрация примеси не превышает 0,1%. Таков механизм сцинтилляции неорганических кристаллов.
Выбор конкретного активатора осуществляется таким образом, чтобы обеспечить оптимальное соотношение конверсионной эффективности, спектрального состава сцинтилляций и постоянной времени высвечивания.
Из неорганических сцинтилляторов NaI, активированный таллием, имеет одну из самых низких постоянных времени высвечивания, т. е. обладает наиболее высокой разрешающей способностью по сравнению с другими неорганическими сцинтилляторами.
