现在已确认原子核都具有自旋角动量，好像它们都围绕自己的轴线旋转运动。这种运动就叫自旋，如图所示，自旋角动量是量子化的。在磁场中其自旋轴的方向只能取某些特定的方向，如与外磁场平行或反平行的方向。由于原子核具有电荷，所以伴随着自旋，它们就有自旋磁矩，如小磁针那样。通常以μ 0 表示自旋磁矩。磁矩在磁场中具有和磁场相联系的能量。例如，μ 0 和磁场B平行时能量为一μ 0 B，其值较低；μ 0 和磁场B反平行时能量为+μ 0 B，其值较高。 现在考虑某种晶体中由N个原子核组成的系统，并假定其磁矩只能取与外磁场平行或反平行两个方向。对此系统加一磁场B后，最低能量的状态应是所有磁矩的方向都平行于磁场B的状态，如图(a)所示，其中小箭头表示核的磁矩。这时系统的总能量为E=Nμ 0 B 0 。当逐渐增大系统的能量时(如用频率适当的电磁波照射)，磁矩与B的方向相同的核数n将逐渐减少，而磁矩与B反平行的能量较高的核的数目将增多，如图(b)、(c)、(d)依次所示。当所有核的磁矩方向磁场B相反时，如图(e)所示，系统的能量到了最大值E=+Nμ 0 B，系统不可能具有更大的能量了。