根據量子力學原理,與電子一樣,原子核也具有自旋角動量,其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數I決定,原子核的自旋量子數I由如下法則確定:
1)中子數和質子數均為偶數的原子核,自旋量子數為0;
2)中子數加質子數為奇數的原子核,自旋量子數為半整數(如,1/2, 3/2, 5/2);
3)中子數為奇數,質子數為奇數的原子核,自旋量子數為整數(如,1, 2, 3)。
迄今為止,只有自旋量子數等于1/2的原子核,其核磁共振信號才能夠被人們利用,經常為人們所利用的原子核有: 1H、11B、13C、17O、19F、31P。
由于原子核攜帶電荷,當原子核自旋時,會產生一個磁矩。這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同,大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置于外加磁場中,若原子核磁矩與外加磁場方向不同,則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉,這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動,稱為進動。進動具有能量也具有一定的頻率。進動頻率又稱Larmor頻率:
υ=γB/2π
γ為磁旋比,B是外加磁場的強度。磁旋比γ是一個基本的核常數。可見,原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定,也就是說,對于某一特定原子,在已知強度的的外加磁場中,其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。
原子核發生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關,根據量子力學原理,自旋量子數為I的核在外加磁場中有2I+1個不同的取向,原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數之間跳躍,而不能平滑的變化,這樣就形成了一系列的能級。這些能級的能量為:
E= -γhmB/2π
式中,h是Planck常數(普朗克常數)(6.626x10-34);m是磁量子數,取值范圍從-I到+I,即m= -I,-I+1, … I-1,I。
當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后,就會發生能級躍遷,也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化。根據選擇定則,能級的躍遷只能發生在Δm=±1之間,即在相鄰的兩個能級間躍遷。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。根據量子力學,躍遷所需要的能量變化:
ΔE=γhB/2π
為了讓原子核自旋的進動發生能級躍遷,需要為原子核提供躍遷所需要的能量,這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候,即入射光子的頻率與Larmor頻率γ相符時,射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收,為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核,在給定的外加磁場中,只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量,這樣就形成了一個核磁共振信號。