原子核由质子和中子组成，它们均以自身为轴作高速旋转，这称为自旋。

质子带正电荷，自旋时产生磁场，也称磁矩。中子虽为电荷中性，但由于表面电荷分布不均匀，自旋时也产生磁矩。原子核中质子或中子的磁矩互相叠加，表现为原子核的总磁矩，也称净自旋。质子数或中子数均为偶数时，磁矩互相抵消。因此只要质子数和中子数并非同时是偶数，原子核就有磁矩或净自旋。人体组织中这类原子核有1H、13C、23Na、31P等，其中1H的含量多，NMR灵敏度高，信号强，目前用来成像的主要是1H。氢原子核中只含一个质子，下面即以质子为例解释NMR现象。质子的磁化 一般情况下，由于热运动，质子指向任意方向，磁矩互相抵消，宏观磁矩M=0。如果将质子置于静磁场中，质子将按一定方向排列，显示磁矩，情况与将磁棒置于磁场中相似。这称为磁化。磁矩为一矢量，称磁化矢量，是无数质子共同作用的效果。达到平衡状态时M＝M0，方向与静磁场方向Z轴一致。M可分解为与Z轴平行的分量MZ（纵向磁矩），和与Z轴垂直的分量MXY（横向磁矩）。平衡状态时，MZ＝M0，MXY＝0。

质子旋转产生磁场是由于其带电性质和自旋角动量的相互作用。根据量子力学，质子具有自旋，类似于一个微小的旋转。由于质子带正电荷，其自旋产生的角动量会与带电粒子的电荷相互作用，形成一个微小的电流环。这个电流环产生的磁矩会导致质子周围形成一个磁场。这个磁场可以被用于核磁共振等实验和技术应用中。