תהודה מגנטית גרעינית
הסבר על פי פיזיקה קלאסית

לגרעינים של אטומי כל היסודות יש מטען חשמלי, שמקורו במטען החשמלי של הפרוטונים שבגרעין. לחלק מן הגרעינים יש גם מומנט מגנטי - כלומר, הם מתנהגים כאילו יש בתוכם מעגל אינפיניטסימלי של זרם. לקיומו של המומנט המגנטי יש שתי תוצאות: ראשית, המומנט עצמו מייצר שדה מגנטי בחלל, ושנית, המומנט מושפע משדות מגנטיים חיצוניים. מקור המומנט המגנטי של הגרעין הוא ה-ספין (תנע זוויתי אינהרנטי) של הנוקליאונים שבתוכו - פרוטונים וגם נייטרונים. לרוב הגרעינים אין מומנט מגנטי, כי הנוקליאונים באים בזוגות, ולכן, מאזנים זה את המומנט המגנטי של זה. אבל בגרעינים מסוימים, כגון מימן (שיש לו רק פרוטון אחד), זרחן, פחמן-13 וכיוצא באלה, יש לגרעין מומנט מגנטי שונה מאפס.
תופעת ה-NMR קיימת בחומר שלגרעין שלו יש מומנט מגנטי. בהיעדר שדה מגנטי חיצוני, חומר כזה לא מראה שום תכונות מגנטיות (אין לו מגנטיזציה כוללת (bulk magnetization)), מאחר שהמומנטים המגנטיים מתאזנים הדדית (היות שהם מכוונים אקראית במרחב). אם מסמנים את המומנט המגנטי של גרעין מסוים כ־ \mu _{i} אז
 {\vec {M}}=\sum \mu _{i}=0
אבל, אם מניחים חומר כזה בתוך שדה מגנטי חיצוני, מושרית בו מגנטיזציה כוללת שונה מאפס, מאחר שבמצב זה, לכל מומנט יש יותר סיכוי להצביע במקביל לשדה, ונוצר לפיכך, כיוון מועדף. לפי משוואת לנז'בין (en:Langevin equation) המיגנוט שווה ל:
 M=N\cdot \mu \cdot (\coth x-{\frac {1}{x}}) כאשר  x\equiv {\frac {\mu B}{kT}}
(T היא הטמפרטורה, B הוא השדה החיצוני, k הוא קבוע בולצמן (Boltzmann) ו-N הוא מספר המומנטים בחומר). כאשר  x<<1 אפשר להשתמש בקירוב של חוק קירי (Curie), האומר:
 M\simeq {\frac {N\mu ^{2}B}{3kT}}
אם מאלצים מגנטיזציה  {\vec {M}} בניצב לשדה המגנטי (המסומן ב־ {{\vec {B}}_{0}}), ניתן להוכיח מחוק שימור התנע הזוויתי כי המגנטיזציה  {\vec {M}} תסתובב מסביב ל־ {{\vec {B}}_{0}}. במקרה זה, תדר הסיבוב של המגנטיזציה (המסומן ב־ \nu ) הוא פונקציה ליניארית של עוצמת השדה המגנטי החיצוני וערכו הוא:
 \nu ={\frac {\gamma }{2\pi }}\cdot B_{0}
המספר  {\frac {\gamma }{2\pi }} נקרא היחס הגירומגנטי (gyromagnetic ratio) והוא שונה מיסוד ליסוד. עבור מימן  {\frac {\gamma }{2\pi }}=4257 הרץ לגאוס. תדר זה נקרא תדר לרמור והסיבוב נקרא נקיפה חופשית. מהנ"ל אפשר להסיק שעבור מימן (מים או שומן) שנמצא בשדה מגנטי של 0.5 טסלה תדר לרמור הוא 21.285 מגה־הרץ.
כיצד מגיעים למצב שהמגנטיזציה  {\vec {M}} ניצבת ל־ {{\vec {B}}_{0}} אם מטבעה המגנטיזציה  {\vec {M}} מקבילה ל־ {{\vec {B}}_{0}}? כאן נכנס האלמנט השני של ה-NMR, והוא פולס ה-RF. ניתן להוכיח שבנוכחות שדה מגנטי נוסף (שמסומן  {{\vec {B}}_{1}}) שכיוונו מסתובב מסביב לכיוון  {{\vec {B}}_{0}} בתדר לרמור, אזי המגנטיזציה  {\vec {M}} (שהייתה בהתחלה מקבילה ל־ {{\vec {B}}_{0}}) תתחיל לנטות מהכיוון של  {{\vec {B}}_{0}} בקצב קבוע. פולס של  90^{0} הוא שדה  {{\vec {B}}_{1}} שעוצמתו/משכו גורמים ל־ {\vec {M}} לנטות ב־ 90^{0} מכיוון  {{\vec {B}}_{0}}. כלומר, להיות ניצב ל- {{\vec {B}}_{0}}. אחרי סיום הפולס (כשאין עוד שדה  {{\vec {B}}_{1}}) אז המגנטיזציה  {\vec {M}} ממשיכה לבצע נקיפה חופשית בתדר לרמור. פעולה זאת של  {{\vec {B}}_{1}} פועלת אך ורק אם תדר הסיבוב של  {{\vec {B}}_{1}} שווה לתדר לרמור. כלומר, זוהי תופעה של תהודה (resonance). בשדה מגנטי של 1.5 טסלה שימוש במשוואת לרמור מראה שהתדר שווה ל-63.855 מגהרץ. תדר זה נמצא בתחום גלי הרדיו, ולכן השדה המשודר נקרא פולס RF.
לסיכום, לתדר לרמור יש שתי משמעויות:
הוא תדר שבו המגנטיזציה מסתובבת מסביב לכיוונו של השדה המגנטי החיצוני.
הוא תדר הסיבוב של שדה מגנטי שני הגורם להטיית כיוון המגנטיזציה מכיוונו של השדה המגנטי החיצוני.
אחרי סיום הפולס, המגנטיזציה  {\vec {M}} ממשיכה לבצע נקיפה רגילה מסביב לכיוון  {{\vec {B}}_{0}} בתדר לרמור. עם הזמן, המגנטיזציה  {\vec {M}} חוזרת לכיוון  {{\vec {B}}_{0}}. אם נציין את הכיוון של  {{\vec {B}}_{0}} באות z אזי המגנטיזציה האורכית (בכיוון z) דועכת בחזרה בקצב מעריכי, היינו:
M_{z}(t)=M_{0}\cdot (1-\exp {(-{\frac {t}{T_{1}}})})
הרכיבים הרוחביים דועכים גם הם בקצב מעריכי, היינו:
M_{xy}(t)=M_{xy}(0)\cdot \exp {(-{\frac {t}{T_{2}}})}
תהליכים אלו נקראים רלקסציה (relaxation). בדרך כלל  T_{2}<<T_{1}. הרלקסציה הרוחבית (ב xy) נגרמת משני גורמים:
איבוד קוהרנטיות באות, בשל מומנטים מגנטיים המסתובבים בתדרי לרמור קצת שונים (כתוצאה מאי-הומוגניות של השדה המגנטי).
איבוד מגנטיזציה רוחבית בגלל חזרתה של המגנטיזציה לכיוון השדה (z).
לעומת זאת, הרלקסציה האורכית (ב-z) מתרחשת רק בשל חזרתה של המגנטיזציה לכיוון השדה (z).
תופעות אלו מתוארות על ידי משוואות בלוך (Bloch) שהן:
 {\frac {dM_{z}}{dt}}=\gamma ({\vec {M}}\times {\vec {B}})_{z}+{\frac {M_{0}-M_{z}}{T_{1}}}
{\frac {dM_{x}}{dt}}=\gamma ({\vec {M}}\times {\vec {B}})_{x}-{\frac {M_{x}}{T_{2}}}
{\frac {dM_{y}}{dt}}=\gamma ({\vec {M}}\times {\vec {B}})_{y}-{\frac {M_{y}}{T_{2}}}
ניתן לגלות את הסיבוב של המגנטיזציה אם שמים לולאה של חוט מוליך (אנטנה) בסביבה. היות שהמומנטים המגנטיים מייצרים שדה מגנטי בעצמם, השטף של השדה הזה (על פני האנטנה) משתנה בזמן הסיבוב וכתוצאה מכך (על פי חוק פאראדיי) מושרה הפרש פוטנציאל (מתח) מסביב ללולאה (בתדר  \nu ). במערכות MRI משתמשים באותה אנטנה לקליטה, וליצור השדה המסתובב. שתי התופעות האלו - הטיה ונקיפה - מכונות תהודה מגנטית גרעינית.