Bei anorganischen Szintillatoren mit Kristallstruktur kann die strahleninduzierte Lichtemission durch das Energiebändermodell erklärt werden. In diesem Modell können die an die Atomrümpfe eines Kristalles gebundene Elektronen Energiezustände im sogenannten Valenzband einnehmen. Wird einem Elektron genügend Energie zugeführt, so kann es in das sogenannte Leitfähigkeitsband gehoben werden. Zwischen Valenz- und Leitfähigkeitsband befindet sich ein energetisch für die Elektronen verbotener Bereich.

Die dem Elektron zugeführte Energie muß daher mindestens der Energiedifferenz zwischen Oberkante des Valenzbandes und Unterkante des Leitfähigkeitsbandes entsprechen. Elektronen im Leitfähigkeitsband sind nicht mehr an einzelne Atomrümpfe gebunden, sondern sind im Kristallgitter frei beweglich. Bereits vorhandene oder durch bestimmte Fremdsubstanzen verursachte Fehlstellen im Kristallgitter führen dazu, daß Elektronen auch bestimmte energetische Zustände, man nennt sie Aktivatorterme, die in der "verbotenen Zone“ zwischen Valenz- und Leitfähigkeitsband liegen, einnehmen können.

Der am meisten verwendete einkristalline anorganische Szintillator ist das mit Thallium aktivierte Natriumjodid. Der Thaliumanteil beträgt etwa 10%. NaJ als Reinsubstanz würde unter Strahleneinwirkung nach außen hin kaum Szintillationen zeigen, da die Energie der beim "Zurückfallen“ der Elektronen aus dem Leitfähigkeits- in das Valenzband emittierten Photonen genau der Anregungsenergie entspricht die die Elektron benötigen um vom Valenz- ins Leitfähigkeitsband gehoben zu werden. Elektronen die vom Leitfähigkeitsband jedoch zuerst strahlungslos, d.h ohne Abgabe von Energie in Form von Photonen (die Energie wird stattdessen an die Atome des Kristallgitters in Form von Gitterschwingungen, man nennt sie Phononen, übertragen), in ein Aktivatorniveau, das durch die Thallium Atome verursacht wird, gelangen, können beim darauf folgenden Übergang ins Valenzband Photonen einer Wellanlänge emittieren, die nicht absorbiert werden.

Wegen der hohen Ordnungszahl des Szintillatormaterials und der damit verbundenen starken Absorption von Gamma-Strahlung eignet sich der NaJ(Tl)-Szintillator besonders zum Nachweis dieser Strahlenart. Wegen des relativ hohen Ansprechvermögens für Photonenstrahlung und der Möglichkeit der Energiediskriminierung sind derzeit fast alle nuklearmedizinischen Geräte für die Lokalisations-,Funktions- und in vitro Diagnostik mit einem NaJ(Tl)-Detektor ausgerüstet.