תהודה מגנטית גרעינית

הסבר על פי הפיזיקה הקוונטית

בנוסף למטען החשמלי יש לגרעין מומנט מגנטי, כלומר ניתן לדמות את גרעין האטום למעין מגנט קטן. סיבוב הגרעין הטעון יוצר שדה מגנטי סביבו, כמו שדה מגנטי שיוצר מגנט זעיר. כשלא מופעל שדה מגנטי חיצוני, הגרעינים מסודרים באופן אקראי, אבל כשמכניסים את הגרעינים לתוך שדה מגנטי חיצוני, הגרעינים מסתובבים ומסתדרים עם או נגד השדה החיצוני. יותר אנרגיה נדרשת לגרעינים להסתדר נגד השדה החיצוני מאשר איתו. גרעין שהסתדר עם השדה נמצא במצב נמוך יותר מבחינה אנרגטית ונקרא מצב ספין-אלפא, וגרעין שהסתדר נגד השדה נמצא במצב גבוה יותר מבחינה אנרגטית ונקרא מצב ספין-בטא, כלומר יש הפרש אנרגיה בין שני המצבים. באופן הגיוני יש יותר גרעינים במצב אלפא מאשר במצב בטא מכיוון שנדרשה פחות אנרגיה לסדר אותם במצב זה. 
עקרון התהודה המגנטית הגרעינית בנוי על הבדל זה בין שתי האוכלוסיות (אלפא ובטא): כאשר מקרינים את כל הגרעינים בקרינה אלקטרומגנטית בתדירות בה האנרגיה של כל פוטון שווה להפרש האנרגטי בין שני המצבים, המצב האנרגטי הנמוך - אלפא עובר עירור למצב בטא. במילים אחרות: מספקים לו אנרגיה שהיא בדיוק מספיקה לסובב אותו ממצב מקביל לשדה למצב נגדי לו. כאשר הקרנת הגרעינים מסתיימת מתחיל תהליך רלקסציה של הגרעינים המעוררים, בו הם חוזרים למצב שלפני ההקרנה. במהלך חזרת גרעיני אלפא למצב ההתחלתי שלהם הם פולטים פוטונים (באותה אנרגיה שנדרשה להעלות אותם למצב בטא). 
העיקרון הפיזיקלי של תהודה מגנטית גרעינית הוא הבסיס להדמיית תהודה מגנטית, המשמשת ברפואה לצורכי אבחון. מכשירי NMR משמשים רבות לזיהוי חומרים, במיוחד אורגניים, בכימיה אנליטית.

הדמאה מבוססת תהודה מגנטית

מכיוון שהשדה האלקטרומגנטי המשתנה מגיב עם גרעיני האטום, אם בנוסף לשדה הקבוע, מפעילים שדות שיש להם תלות במיקום ואז מפעילים שדה בתדר "לרמור" - ניתן, באמצעות התמרות פורייה, לקבל "תמונה" של חתך הניצב לכוון השדה הראשי. טכניקה זו מתאימה במיוחד לצורכי אבחנה של תופעות ברקמות רכות כמו למשל המוח ובהתאם, מכשירים אלה משמשים לאבחון מגוון גדול של תופעות רפואיות. מכשירים אלו מכונים מכשירי MRI.

שימושים בחקלאות

היכולת "לראות" את המבנה הפנימי של החומר מאפשרת לזהות קיום ומיקום של גרעיני פירות בתוך הפרי עצמו. כך למשל, נעשה שימוש במכשירי NMR כאמצעי לבקרת איכות במפעלים העוסקים בייצוא חקלאי איכותי של פירות המשווקים כ"חסרי זרעים".

שימושים למחקר פרה-קליני

המחקר הרפואי בבני אדם, כמעט תמיד וברוב מדינות העולם, מחייב הוכחה בניסויים בבעלי חיים, טרם שאפשר לנסות את הטכניקה המוצעת לריפוי על בני אדם. מכשירי NMR ומכשירי MRI נמצאים בשימוש נרחב במחקרים בעכברים וחולדות בתחומים של מחקר חומרים מסרטנים ושיטות לריפוי סרטן.

שימושים לטובת אנליזה של שמנים ודלקים בזמן אמיתי

מכשירי NMR יכולים לשמש לאנליזה של נפט גולמי ומוצריו, כאשר האנליזה מתבצעת בזמן אמיתי ומבלי שצריך להוציא דגימות אל מחוץ לתהליך, להמתין לתוצאות ורק אחר כך להחליט אם ואיך כדאי להתקדם.

שימושים לטובת אנליזת צמיגות

מכשירי NMR יכולים לשמש למגוון גדול של צורכי אנליזות צמיגות בתעשיות הקוסמטיקה והתרופות - כדי לבדוק הדירות בייצור של קרמים, ג'לים ומשחות למיניהן.

שימושים לטובת מחקר רקמות ביולוגיות - היסטולוגיה

מכשירי NMR מתאימים למחקר המבנה של רקמות ביולוגיות באופן שאינו הרסני לרקמה הנבדקת.

שימושים לטובת בדיקות אל-הרס

בדיקת ה-NMR מטבעה, אינה מחייבת פגיעה בדגימה הנבדקת ובהתאם, יש מגוון גדול של שימושים שמתאפשרים באמצעות טכנולוגיה זו.

שימושים לטובת ספקטרוסקופיה כימית

תהודה מגנטית גרעינית, מטבעה, נוחה כדי לזהות נוכחות של איזוטופים, נוכחות של שיירים בלתי רצויים וכדומה. מכיוון שכך, השימוש ב NMR מתאים לתהליכי בקרת איכות, לזיהוי מזהמים וכיוצא בזה, דוגמה למעבדה שנותנת שירותים כאלה נמצאת באוניברסיטה העברית בירושלים