核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，簡稱NMR)是指具有固定磁矩的原子核，如1H、13C、31P、19F、15N、129Xe等，在恒定磁場與交變磁場的作用下，與交變磁場發生能量交換的現象。目前應用比較廣泛的還是以氫核為研究對象的核磁共振技術。核磁共振技術產生兩個重要的應用學科——核磁共振波譜學和核磁共振成像學。最早觀察到NMR信號的是美國的兩個實驗室，他們在同一時期內、用不同的方法各自獨立地觀察到了NMR吸收現象：一個是斯坦福大學的F.Blochet領導的科研小組，用交叉線圈探頭在7.765MHz處，用感應法觀察到了水中質子的信號；另一個是哈佛大學的E.M，Purcell領導的研究小組，用單線圈在30MHz處，用吸收法觀察到了石蠟中質子的磁共振吸收信號。Bloch和Purcell兩人因此分享了1952年的諾貝爾物理學獎。從這兩個經典核磁共振實驗開始，核磁共振技術很快就受到了人們的重視，並隨著電子技術和計算機技術的飛速發展而發展。
核磁共振波譜學就是在此之後迅速形成和發展起來的一門邊緣學科，它以物理原理為基礎，利用無線電電子學的技術為手段，研究和分析各種物質的結構。核磁共振技術從一開始就沿著兩個方向發展，一個是連續波NMR法，就是用射頻場連續不斷地作用原子核係統，觀察核對射頻能量的吸收或核磁化強度矢量的共振感應信號，也稱穩態NMR；另一個則是脈衝NMR法，它是把射頻場以窄脈衝的方式作用到核係統上，觀察核係統對射頻脈衝的響應信號——自由感應衰減信號，也稱暫態NMR。1953年，第一台30MHz連續波商品核磁共振譜儀(簡稱CW—NMR)問世；1958年以後又相繼出現了60MHz、100MHz、200MHz左右的儀器；1946年，F.Bloch提出了脈衝NMR實驗；H.C.Torrey和E.L.Hahn則在1949年完成了第一個時域核磁共振實驗。Hahn被認為是真正的脈衝波譜學之父，因為他發明了自旋回波實驗。
1965年Cooley和Tukey提出快速傅立葉變換計算方法。同時借助計算機的發展和超導磁體的采用，1966年Ernst發展了脈衝傅立葉變換NMR測譜方法。這一革命性的飛躍使高分辨NMR波譜得以發展，並且使對天然豐度很低的核的觀察變為現實，從而使固體NMR技術也發展起來。
1973年紐約州立大學石溪分校Lauterbur受到X-CT的啟發，發明用線性梯度磁場進行空間編碼，首次從實驗上得到NMR圖像，於是核磁共振技術的另一個科學分支——核磁共振成像學（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI）正式誕生，直到目前已經發展成為醫學診斷方麵的強有力的工具。1975年Ernst提出多維NMR譜方法學理論，也給NMR成像奠定了新的方法學理論和實驗基礎，把NMR-CT發展為“傅立葉成像法”，使得NMR成像區別於CT而被命名為MRI。Ernst由於對NMR方法學的巨大貢獻榮獲了1991年諾貝爾化學獎。
1977年英國學者Mansfield提出回波平麵成像方法，1980年Edelstein把Ernst原始的傅立葉成像法修改為Spin—Warp傅立葉成像，1982年Crooks引進多層麵技術，為臨床MRI準備了條件。由於社會需求的推動，醫學NMR迅速發展起來，1983年出現了全身MRI商品機器。
與X射線和CT相比，磁共振成像具有分辨率高、成像參數多、可對任意層麵選層、對人體無電離輻射損傷等優點，它不僅能提供人體的解剖圖像，還可以反映人體組織的生理生化信息。MRI技術是一種非破壞性的檢測技術，現在主要被應用在醫學工程之中，其主要功能是不經由外部的破壞，不侵入被診斷者的身體，從而得到測量樣本的內部影像。因為MRI技術有這樣的特性，所以在醫學上，常被應用在檢測癲癇症或是大腦內部的損傷。目前核磁共振成像儀在全世界得到初步普及，全球已有約22000台MRI設備，它們每年為各類患者進行至少6000萬次的掃描檢查，已成為最重要的診斷工具之一。Paul Lauterbur和Mansfield因為對醫學MRI的卓越貢獻，同時獲得2003年度生理或醫學的諾貝爾獎。核磁共振技術是由電磁技術與物理、信息、控製等學科交叉而形成的技術，由於其近乎完美的理論和實驗方法，核磁共振技術已經從麵向科學研究、高檔醫療診斷等高端需求拓展到石化、醫藥、食品、農產品、紡織和環保等多個領域。
核磁共振雖然聽起來很複雜，但實際上很好理解。指南針是我們最熟悉的磁體，地球就是一個磁場。指南針在地球表麵作定向排列，即在靜止狀態下指北。如果我們用手指輕擊指南針，它就會來回擺動，直到指南針從我們手指上得到的能量全部放出後，又回到原來的位置，再次指北，這就是共振現象。而針擺動的頻率就是共振頻率。（從發生搔動到最後停下來所需要的時間就相當於自旋，自旋弛豫時間）我們所說的核磁共振，磁體是一些特殊的原子核，外加能量是電磁波。
具有非零自旋量子數（I≠0）的任何核子放置到磁場中，都能夠以電磁波的形式吸收或釋放能量，發生原子核的躍遷，同時產生核磁共振信號得到核磁共振譜。這種方法稱為核磁共振波譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectrocopy,NMR)。元素周期表中大量的元素至少有一種同位素能夠產生核磁共振。但是大量的同位素如12C，16O，32S的自旋量子數等於零，這些原子核沒有自旋現象，因此沒有磁矩，不產生共振吸收譜，故利用核磁共振技術無法檢測。1H核特別是其質子是核磁共振波譜法和核磁共振成像（或者磁共振成像）中運用最廣泛的，主要由於1H便於觀察，具有高組織濃度，在多數樣品中尤其是生物樣品中穩定存在。除了1H，其他核13C,17O,19F,23N和31P也能應用於核磁共振技術的研究，因為它們在很多化合物中存在，引起了醫學家和生物學家的興趣。
1.1.1磁矩和磁共振
非零自旋量子數的核子圍繞自身軸的轉動稱為核子的自旋。自旋運動產生的微觀磁場稱為自旋磁矩。這個磁矩與一般的小磁鐵一樣，具有南極和北極，而磁矩的南極和北極稱為磁偶極子。當核子置於恒定磁場（也稱為靜磁場）中時，核子的磁偶極子與磁場產生作用。磁偶極子沿著磁場定向排列就像指南針在地磁場中的定向排列。可以將自旋核子視為旋轉的陀螺來解釋這種現象。當陀螺旋轉時會產生自旋，但是當轉速變慢時，由於地球重力作用，陀螺會搖擺，這種搖擺運動或角自旋運動稱作進動。
置於靜磁場的質子會圍繞靜磁場旋進。偶極子的進動頻率稱為拉莫爾(Larmor)頻率。
根據量子力學原理磁偶極子在靜磁場中的取向是一個被量子化的過程，稱為塞曼分裂。
當氫原子置於靜磁場中，隨質子量子數而定的質子排列方向與磁場方向相同或者相反。由以上的理論分析可知，核子以順時針或逆時針旋進決定了磁偶極子在磁場中的排列方式。自旋方向與磁場方向相同的核子能量較低。