Τα μέταλλα, όπως τα περισσότερα στερεά σώματα, αναπτύσσονται ως περιοδικές δομές ατόμων. Στην αυστηρή κβαντική περιγραφή τους, ξεκινά κανείς από τα ατομικά τροχιακά (τις διάφορες καταστάσεις ενέργειας και ορμής στις οποίες  μπορεί να βρίσκεται ένα ηλεκτρόνιο, που χαρακτηρίζονται ως στιβάδες s, p, d, f κλπ ανάλογα με την “απόστασή” τους από τον πυρήνα του ατόμου) και δημιουργεί γραμμικούς συνδυασμούς όλων των ατομικών τροχιακών όλων των ηλεκτρονίων. Έτσι, για δύο ηλεκτρόνια, παίρνει κανείς δύο υβριδικά τροχιακά από το άθροισμα ή τη διαφορά των κυματοσυναρτήσεων των αρχικών ηλεκτρονίων, σε δύο ενεργειακές στάθμες ψηλότερα και χαμηλότερα από την ενέργεια των ασύζευκτων ηλεκτρονίων. Προσθέτοντας ολοένα και περισσότερα ηλεκτρόνια, τα υβριδικά τροχιακά που προκύπτουν πυκνώνουν όλο και περισσότερο σε ενέργεια, μέχρι που στο όριο του άπειρου κρυστάλλου δημιουργούν μια συνεχή ζώνη από επιτρεπτές ενεργειακές καταστάσεις. Λόγω της απαγορευτικής αρχής του Pauli, μόνο δύο ηλεκτρόνια (με αντίθετα σπιν) μπορούν να καταλάβουν κάθε στάθμη, οπότε όλο και υψηλότερες ενεργειακές στάθμες καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια. Η ενέργεια της ανώτερης κατειλημμένης στάθμης λέγεται ενέργεια Fermi, και μέσω της αρχής του de Broglie αντιστοιχίζεται σε αυτήν ένας κυματάριθμος (και κατ’ επέκταση ένα μήκος κύματος, το οποίο χαρακτηρίζει το χωρικό εύρος των αλληλεπιδράσεων των κυματοσυναρτήσεων των ηλεκτρονίων).