MRI beeld van een knie

Kernmagnetische resonantie (NMR van Nuclear Magnetic Resonance) is een natuurkundig fenomeen dat onder andere toepassingen vindt in de scheikunde (bij de structuurbepaling van moleculen) en in de geneeskunde (namelijk bij MRI-scanners). Sommige atoomkernen hebben zoals een elektron ook een spin. De atoomkern is een geladen deeltje en deze spin creëert een magnetisch moment.
Kernen met een spin zijn o.a. de kern van waterstof  (1)H (protium) met als spin 1/2 (kwantumgetal voor de spin), die van deuterium met spin = 1 , van koolstof-13 (13)C, fluor-19 (19)F en fosfor-31 (31)P.  (13)C, (19)F en (31)P hebben een spin ½ net als (1)H.

Spintoestanden in een magnetisch veld B0.

Wordt er nu een uitwendig magnetisch veld B aangelegd dan kan dit magnetisch moment van zo’n atoomkern een aantal kwantumtoestanden aannemen: een waterstofkern met spin ½ bijvoorbeeld, kan met het veld mee (parallel) of tegen het veld in (antiparallel) gericht staan. Deze twee kwantumtoestanden hebben een energieverschil omdat er arbeid moet worden verricht om de kern van de parallel naar antiparallel  toestand te brengen. Dit energieverschil is recht evenredig met de magnetische veldsterkte B.

Bij kamertemperatuur en in evenwicht (rusttoestand) bestaat er in een stof een -weliswaar klein-  verschil tussen parallel (meer) en antiparallel (minder) georiënteerde spins. De som van de magnetische momenten geeft aanleiding tot een magnetisatie M. Bestraalt men in een veld B (met de grootorde van een tesla) een monster dat protonen bevat, dan zal een bestraling met frequentie ν₀, waarbij hν₀ gelijk is aan het energieverschil (hν₀= h γ B₀ / 2π )  tussen parallel en antiparallel georiënteerde spins,  de kernspins doen ‘omklappen’.

In magnetische resonantie werkt men dikwijls met puls-bestraling. Met een puls van 90° klapt men de longitudinale magnetisatie (evenwijdig met het aangelegde veld B₀) neer tot in het vlak loodrecht op B₀ (transversaal), met een 180° puls klapt men de longitudinale magnetisatie om tot in de tegengestelde zin van het veld B_0.  Als men daarna wacht, zullen de geëxciteerde spins terugvallen met  uitzending van radiostraling met een frequentie ν₀ = γ B₀ / 2π  en zal de longitudinale magnetisatie M_z met een halveringstijd of een longitudinale relaxatietijd T₁ opgroeien tot zijn evenwichtswaarde.

De opbouw van de longitudinale magnetisatie na een puls van 180° (linkergrafiek) en afbraak van de transversale magnetisatie na een 90° puls (rechtergrafiek).

Men zou de spin enigszins kunnen voorstellen door aan te nemen dat de atoomkern om zijn as draait (hoewel men met zulke  voorstellingen voorzichtig moet zijn; de spin is een kwantum fysische eigenschap). Die rotatie rond de as noemt men de precessie en de rotatiesnelheid van de kern rond de as of de hoeksnelheid ω is ook evenredig met het magnetisch veld waarin de kern zich bevindt. In een extern magnetisch veld B₀ is de hoeksnelheid van de spins ω₀ = γ B₀ , maar door de koppeling met de omgeving kan het veld dat elke spin ziet, iets verschillend zijn van B_0. Na een 90° puls  gaat de magnetisatie in het transversaal vlak rond het veld B₀ draaien. Door de kleine verschillen in het magnetische veld blijven de spins niet in fase en dooft de transversale magnetisatie M_xy uit met een transversale relaxatietijd T_2.  Voor een zelfde atoomkern, bv. ⁽¹⁾ H  zijn beide relaxatie tijden T₁  en T₂  verschillend naargelang de stof waarin die atoomkernen zich bevinden (vloeistof, vetten).

het ¹H en ¹³C NMR spectrum van de molecule 2-fenil-4,7-dihydro – 1,3 dioxepine.

Later ontwikkelde o.a. Richard Ernst een methode om met kernspinresonantie de driedimensionale structuren van o.a. proteïnes te bepalen. Ernst ontving in 1991 de Nobelprijs voor de Scheikunde.