物質由原子構成,質子是原子核內的主要微粒,核磁信號就是來源于質子。以氫質子為例,由于其帶有正電荷,且自身高速旋轉,可以看作一個環形電流,由電磁理論可知,電生磁,質子產生一個磁矩,可以將其看作一個小磁針。樣品內部無數的小磁針按自身的方向雜亂排列,相互抵消,總磁矩為零。

當樣品置于一個靜磁場中時,原有的平衡被打破了。根據量子力學原理,核磁矩在外磁場中的空間取向是量子化的,只能取確定的方向,氫核可取兩個方向,這兩個方向的位能不同,一高一低。氫核從原有的平衡狀態到裂分為兩個取向,成為塞曼能級分裂。形象的說,好比小磁針放到靜磁場后,分為了兩個陣營:順從派和抵抗派。順從派能量較小,能級較低,和靜磁場方向相同,抵抗派能量較大,能級較高,和靜磁場方向相反,且兩派的力量不均等,順從派稍多于抵抗派,每10萬個核,兩派數量差一個。就是這多出的一個磁矩,積少成多,形成了一個與主磁場同方向的磁化矢量,是核磁共振信號的來源。

磁化矢量沿主磁場方向旋轉,如果施加一個適宜的射頻場,該磁化矢量就會發生傾斜,從而形成核磁共振信號。適宜的射頻場是指頻率與磁化矢量拉莫爾進動頻率一致。如前面講的比喻,磁化矢量好比一個垂直于地面的沙袋,射頻場發射的脈沖好比拳頭,只有拳頭力量匹配沙袋的重量,沙袋才會傾斜,從而在地面形成一個投影。這個投影就是儀器檢測到的核磁信號。沙袋傾斜后會逐漸回復到平衡狀態,投影會越來越小,直至消失,檢測到的核磁信號也是一個衰減的信號。