由於低能態的核子比高能態的核子穩定，處於低能級上的核比高能態的核稍多一些，但高能態與低能態的核的數目之差很小，約百萬分之十。然而，核磁共振波譜法利用的就是這個數目差。相鄰能級之間的能量差ΔE與靜磁場強度和核數目差成正比。
討論了靜磁場中的特征之後，我們接著討論核磁共振，也就是核磁共振的基本原理。磁場中的質子吸收或者釋放所需的能量，在相鄰能級之間發生躍遷。所需的能量ΔE由外加磁場即旋轉磁場或者射頻脈衝提供，其頻率與拉莫爾頻率相同。這種具有自旋特性的核子與入射的電磁波產生的共振效應被稱為核磁共振，特征頻率稱為共振頻率。
因此，在主磁場中，任何核子的核磁共振頻率也叫做拉莫爾頻率，激發不同原子核的磁共振需要入射不同頻率的電磁波，主要是以不同的核子對應不同磁旋比為特征。
共振吸收或者釋放能量導致了進動核向上或者向下躍遷。因為低能態的核更多，則向上躍遷的幾率高於向下躍遷的幾率，導致了不平衡自旋分布。如果此過程重複進行，其結果就使處於低能態核子的微弱多數趨於消失。在一定條件下，高能態和低能態的自旋核子數目相等導致實際應用中的核磁共振實驗信號消失，此現象叫做“飽和”現象。
1.1.2磁化強度的矢量圖
由射頻脈衝產生的磁化強度可以由矢量模型表示。對於I=±1/2的質子，磁量子數m1取兩個值即+1/2和-1/2，則質子自旋排列方向要麼與外加磁場方向相同，要麼與外加磁場方向相反。由於與外加磁場方向相同的排列表示核處於低能態或者穩定態，所以排列方向與外加磁場方向相同的核比其反方向的核多一些。單位體積樣品中所有自旋磁矩矢量和用M表示。矢量M的長度對應於兩個能態核子的數目差。
外加磁場通常平行於Z軸，淨磁化強度MHz也指向於Z軸，如果進動核在外加磁場中保持足夠長的時間，則沿著磁場方向的進動核數目會達到一個熱平衡值M0，這是磁化強度的最大可能值，也叫做淨磁化強度矢量，方向與外加磁場方向一致。由於淨磁化強度矢量旋進的很快，因此很難觀察到這種變化。但是有一種方法可以解決這個問題，用旋轉坐標係代替固定坐標係。它要求旋轉坐標係以精確的拉莫爾頻率圍繞Z軸旋轉。在旋轉坐標係內，可以觀察到淨磁化強度不會旋進，是靜止的，因此容易觀察。
在旋轉坐標係中，能夠更加方便地觀察射頻磁場B1（垂直於B0）與自旋磁化強度之間的關係。將自旋體係置於靜磁場中，采用不同射頻脈衝照射時的一係列狀態。平衡態a中的淨磁化強度沿著Z軸達到最大磁化強度即MZ=M0，若單個核吸收RF能量躍遷到高能態b，則淨磁化強度矢量MZ旋轉α角。由射頻脈衝產生的磁化強度在X′Y′平麵的分量，其值為MXY=M0cosα。Z軸的淨磁化強度MZ=M0sinα。淨磁化強度沿Z軸旋轉，則MZ減小，而MXY增加。采用合適的射頻脈衝照射可以使淨磁化強度旋轉任意角度。例如，在X軸方向加90°，180°，270°射頻脈衝，會使淨磁化強度分別變到Y′,Z′-Y′軸上，去掉外加射頻脈衝後，淨磁化強度又會回到原來的平衡狀態。在返回過程中，沿Z軸的淨磁化強度隨時間變化，以逐漸衰減的形式恢複到平衡狀態。激發態進動核釋放能量返回到熱平衡態，或者進動核之間相互影響失去它們的相位一致性的過程，稱為弛豫過程。
核子的淨磁化強度能夠隨著射頻脈衝的照射發生旋轉，因此，我們可以通過控製射頻脈衝觀察和探測核子的特征。利用射頻脈衝序列激勵固定磁場中的核子產生磁化強度信號的現象將在本章最後進行討論。
1.1.3弛豫過程
射頻脈衝激勵磁場中的核子產生共振吸收，躍遷到高能態的核子並以非輻射的形式釋放所吸收的射頻波能量，返回到熱平衡態的過程稱為弛豫過程。射頻波信號以核子的拉莫爾頻率為特征，核磁共振儀器（射頻接收天線）接收或者記錄射頻波信號。
記錄到的恢複或者衰減的信號是弛豫過程的特征。弛豫過程有兩種形式，即自旋—晶格(縱向弛豫)弛豫和自旋—自旋（橫向弛豫）弛豫。描述弛豫過程的時間常數稱為弛豫時間。自旋—晶格弛豫時間用T1表示，自旋—自旋弛豫時間用T2表示。弛豫時間與自旋核子的種類和周圍的物理化學環境有關。換言之，弛豫時間是由樣品性質決定的。
應用過程中不應將弛豫時間常數和弛豫速率相混淆，弛豫時間常數和弛豫速率的關係很簡單。
1.自旋—晶格弛豫
此處晶格是指核子周圍的環境，包括殘留分子以及其他的溶質和溶劑分子。自旋—晶格弛豫是指核自旋偶極子與隨機的、不穩定的磁場之間的相互作用，而這個磁場是由晶格周圍的磁偶極子的頻率變化產生的，磁偶極子的頻率變化滿足公式（1.8）的描述。共振核子的能量以外加的、轉動能或者振動能的形式轉化成晶格的不同組分，直到自旋核與晶格之間達到平衡。以共振頻率旋轉的晶格組分越多，自旋—晶格弛豫越有效、越快，也就是說樣品的旋轉頻率有一定的分布形式。
2.自旋—自旋弛豫
自旋—自旋弛豫由隨機的、非波動的磁場產生。雖然產生自旋—晶格弛豫的因素也會產生自旋—自旋弛豫，但是人們普遍認為化學交換或者兩個相鄰自旋態之間的相互交換才是典型的自旋—自旋弛豫。自旋—自旋弛豫和自旋—晶格弛豫過程不一樣，它是一種絕熱過程，能量在核子之間重新分配不會使高能態的核子數變化。
3.弛豫機理
激發態進動核在晶格環境中以不同的方式達到平衡態。以下方式可以使自旋係統達到平衡態。
（1）偶極—偶極偶合：由其他核子的磁矩產生。
（2）順磁場弛豫：由具有孤對電子的磁矩產生。
（3）異向電子屏蔽：由靜磁場B0電子屏蔽的角度變化產生。
（4）電子四級弛豫：被照射核子的電子四級矩產生。
（5）自旋—自旋弛豫：由分子磁性產生。
對於許多自旋體係而言，主要的弛豫機理是偶極—偶極偶合，此過程中包括相鄰自旋偶極。偶極—偶極偶合是一個自旋運動與另一個自旋運動偶合。核自旋不僅受磁場B0的影響，而且受核子相互之間磁矩的影響。而相互間磁矩由兩個自旋核子的磁矩的距離以及相對取向決定。要想了解更多有關弛豫機理的知識，讀者可以閱讀以下作者的書籍：James(James和McDonald 1973)，Field 1989)和Farrar(Farrar 1989)。本文不再做詳細的介紹。
1.1.4弛豫時間測定法
T1和T2可以通過不同的脈衝序列測定。當測定T1和T2時，在自旋體係中加入一個或者多個脈衝序列用以記錄有關磁場強度的信號。而脈衝序列作用期間的每一步的時間安排對於獲得準確的數據、分析結果和合理解釋數據皆有重要的意義。
1.T1的測定
因為磁化強度沿著Z軸難以觀察，所以不能運用90°脈衝信號測定T1值。因此，常用的方法是利用反轉恢複脈衝序列產生信號。反轉恢複脈衝序列是先加入一個180°脈衝後，再加入90°脈衝。180°脈衝使平衡磁化強度翻轉到-Z軸方向，此時變成-M0。如果在加入180°脈衝後，立即加入90°脈衝，那麼檢測出的磁化強度MXY=M0。如果在加入180°脈衝後，停留τ時間，再加入90°脈衝，則淨磁化強度有可能會發生衰減，其中部分原因是因為存在T1弛豫。因此，一次檢測出來的橫向信號值比M0稍小。