Khi một vi hạt (mà điển hình là điện tử) chuyển động trong không gian tự do, các chuyển động của nó có thể tính toán qua các định luật Newton. Tuy nhiên, khi nó chuyển động trong chất rắn, dưới tác dụng của lực tương tác với các nguyên tử, trường thế tuần hoàn của tinh thể thì chuyển động của nó không còn có thể mô tả qua cơ học cổ điển (mà chủ yếu là các định luật Newton). Với việc sử dụng khái niệm khối lượng hiệu dụng, ta có thể áp dụng các định luật Newton của cơ học cổ điển.

Khối lượng hiệu dụng (meff) được định nghĩa thông qua định luật 2 Newton:

F → = m e f f . a → {\displaystyle {\vec {F}}=m_{eff}.{\vec {a}}}

Trong cơ học lượng tử, khi điện tử truyển động trong điện trường E, thì gia tốc al theo trục tọa độ l sẽ được cho bởi:

a ℓ = 1 ℏ 2 ∑ m ⋅ ∂ 2 ε ( k ) ∂ k ℓ ∂ k m q E m {\displaystyle a_{\ell }={{1} \over {\hbar ^{2}}}\sum _{m}\cdot {{\partial ^{2}\varepsilon ({\boldsymbol {k}})} \over {\partial k_{\ell }\partial k_{m}}}qE_{m}}

với ℏ = h / 2 π {\displaystyle \hbar =h/2\pi } là hằng số Planck rút gọn, k {\displaystyle {\boldsymbol {k}}} là véctơ sóng ( k {\displaystyle k} = p / ℏ {\displaystyle p/\hbar } cho điện tử tự do), ϵ ( k ) {\displaystyle \epsilon ({\boldsymbol {k}})} là năng lượng như một hàm của véctơ sóng k {\displaystyle {\boldsymbol {k}}} .Năng lượng ϵ ( k ) {\displaystyle \epsilon ({\boldsymbol {k}})} phụ thuộc vào véctơ sóng tùy thuộc vào trạng thái của điện tử (tồn tại ở vùng năng lượng nào?...), ví dụ như ở đỉnh vùng hóa trị của Silicon, quan hệ có thể là [2]:

ε ( k ) = A k 2 ± B 2 k 4 + C 2 ( k x 2 k y 2 + k y 2 k z 2 + k z 2 k x 2 ) {\displaystyle \varepsilon ({\boldsymbol {k}})=Ak^{2}\pm {\sqrt {B^{2}k^{4}+C^{2}\left(k_{x}^{2}k_{y}^{2}+k_{y}^{2}k_{z}^{2}+k_{z}^{2}k_{x}^{2}\right)}}\,}

Khối lượng hiệu dụng có quan hệ với năng lượng theo công thức:

1 m ∗ = 1 ℏ 2 d 2 ϵ ( k ) d k 2 . {\displaystyle {\frac {1}{m^{*}}}={\frac {1}{\hbar ^{2}}}{\frac {d^{2}\epsilon ({\boldsymbol {k}})}{dk^{2}}}.}

Như vậy, khối lượng hiệu dụng tỉ lệ tuyến tính với khối lượng tĩnh của điện tử (me), có thể mang giá trị âm, dương hoặc vô cùng, tùy thuộc vào trạng thái của điện tử, và không trùng với khái niệm "khối lượng rút gọn" trong cơ học cổ điển.

Khái niệm khối lượng hiệu dụng đặc biệt hữu ích trong các tính toán về vận chuyển trong chất rắn đặc biệt là trong các hệ vận chuyển trong hàm thế thay đổi, và trong các tính toán về mật độ trạng thái.