Alla magnetiska kärnor har en egenskap som kallas kärnmagnetisk resonans, eller NMR, när de är inom ett magnetfält och när vissa andra villkor är uppfyllda. En rad olika typer av teknik har utvecklats enligt dessa principer. Dessa inkluderar olika typer av medicinsk bildbehandling och spektroskopi.
Kärnmagnetisk resonans beror på det faktum att när en oscillerande elektromagnetisk puls appliceras på kärnor inom ett magnetfält, absorberar individuella kärnor energi och frigör sedan den energin i specifika mönster. Mönstret för energiabsorption och frigöring beror på styrkan hos magnetfältet såväl som vissa andra variabler. Genom att undersöka dessa mönster kan fysiker undersöka kvantmekaniska egenskaper hos atomkärnor. Kemister kan använda NMR-teknik för att utforska den kemiska och strukturella sammansättningen av prover, och inom medicin är kärnmagnetisk resonansteknologi grunden för en ofta använd typ av medicinsk bildutrustning.
All NMR-teknik bygger också på en egenskap som kallas spin. När man avgör om en given atomkärna har spin, räknas antalet nukleoner i atomen. Nukleonen är samlingsnamnet för protoner och neutroner. Om antalet protoner och neutroner i en kärna är ett udda tal, är mängden spinn som kärnorna har större än noll. Den kärnan sägs därför ha egenskapen spin. Varje kärna som har spinn kan undersökas med hjälp av NMR-teknik.
Inom kärnmagnetisk resonansspektroskopi används en maskin som kallas en kärnmagnetisk resonansspektrometer för att få information om typen, antalet och arrangemanget av kärnor inom ett givet prov. Analys av ett NMR-spektrum av en kemist, till exempel, kan ge information om de olika typerna av kemikalier som finns i ett prov, såväl som strukturen hos de olika molekylerna som finns. NMR-spektroskopi har till exempel varit avgörande för att förstå hur nukleinsyror och proteiner är uppbyggda och ger också ledtrådar om hur dessa molekyler fungerar.
Grunden för kärnmagnetisk resonansavbildning bygger på det faktum att resonansfrekvensen för olika molekyler är proportionell mot styrkan på magnetfältet som appliceras på dem. När ett prov placeras inom ett oscillerande magnetfält, varierar resonansfrekvenserna för kärnorna i provet beroende på var de är belägna inom det fältet. Dessa variationer kan sedan användas för att bygga upp en bild av själva provet.
Inom medicin är denna teknik allmänt känd som magnetisk resonanstomografi, eller MRI. Denna medicinska avbildningsutrustning använder magnetfält för att anpassa väteatomerna som finns i vattnet. Eftersom människokroppen innehåller en stor andel vatten, ger väteatomer i linje på detta sätt tillräckligt med information för att bygga upp en bild av kroppens inre struktur. Innehav av spinn är ett viktigt begrepp i denna teknik. Detta beror på att väteatomer, som har spin, reagerar olika på magnetfält beroende på vilka andra typer av molekyler de är bundna till, och till och med vilka typer av molekyler de är placerade nära.
NMR-tekniken har många andra teoretiska och praktiska tillämpningar. Petroleum- och naturgasindustrin använder NMR-teknik för att hjälpa till vid utforskning av jordens berg för att lokalisera avlagringar av dessa bränslen. En av de viktigaste användningsområdena för NMR-teknik för att undersöka prover är att det görs utan att förstöra provet. Detta innebär att NMR-tester kan utföras på prover som är ömtåliga eller farliga med mycket minskad risk.