El átomo es la partícula química más pequeña de la materia y consta de un núcleo rodeado por capas de electrones de carga negativa. Estos electrones giran alrededor del núcleo pero también giran sobre sí mismos con un movimiento denominado spin.

El núcleo se compone de protones y neutrones, que en conjunto se denominan nucleones. Los protones tienen carga positiva, mientras que los neutrones carecen de carga. Los nucleones también poseen spin. Como el núcleo es una partícula cargada, el giro es equivalente a una pequeña corriente electrica que viaja a través de un diminuto aro de alambre que genera un pequeño campo magnético (*) que se asemeja a una barrita imanada (llamada dipolo). La fuerza del campo magnético se expresa en términos de momento magnético.

Los campos magnéticos se miden en unidades conocidas como tesla. Un tesla equivale a 10.000 gauss. El valor del campo magnético de la Tierra es de 0,3-0,7 gauss.

Los imanes magnéticos elementales tienen dos polos: norte y sur. Los polos iguales se repelen, mientras que los opuestos se atraen.

Los materiales con propiedades magnéticas tienden a alinearse en función de las líneas magnéticas de la fuerza (*). Si un conductor eléctrico se coloca en un campo magnético, se genera corriente. A su vez, la corriente eléctrica genera un campo de fuerzas magnéticas.

Ya en 1946, Felix Bloch y Edward M. Purcell demostraron que al situar determinado tipo de núcleos en campos magnéticos potentes, estos núcleos podían absorber energía de radiofrecuencia (RF) y posteriormente liberarla, también en forma de energía de RF, que podía ser captada por una antena. Denominaron a este fenómeno físico resonancia nuclear magnética y a la frecuencia se le denominó frecuencia de resonancia.

En los átomos con número par de nucleones, los dipolos magnéticos se neutralizan por lo que estos átomos carecen de momento magnético dipolar. Por el contrario, los átomos con número impar de nucleones no están en equilibrio y presentan un patente momento magnético. Algunos de los elementos con momento magnético utilizados en resonancia son en C13, el flúor o el fósforo, todos ellos con un número impar de nucleones. Desde la década de los 50, la RM y en particular la resonancia magnética de protones, ha sido utilizada en análisis químico para caracterizar sustancias.

Dentro del cuerpo, los átomos de hidrógeno que son muy abundantes (el hidrógeno tiene un solo protón y de todos los elementos es el que presenta mayor momento magnético) se orientan de forma aleatoria de modo que no existe un campo magnético. Sin embargo, si se aplica un campo magnético, de forma intuitiva se deduce que los dipolos elementales se orientarán paralelamente al campo magnético Bo. Al hacerlo, se obtienen dos estados de energía; paralelo y antiparalelo según los dipolos estén alineados con Bo o formando un angulo de 180º. (*) Como el estado paralelo es de menor energía, se entiende que al aplicar un campo magnético sea mayor el número de protones que se disponen en paralelo y que la diferencia entre el número de protones en paralelo y antiparalelo cree una débil magnetización en el cuerpo, generándose un débil vector de magnetización.

La fuerza de este vector depende de la energía del campo aplicado B_o, de la diferencia energética entre los estados del spin y de la temperatura. El número de protones en estado energético más bajo en exceso sobre el número de protones en antiparalelo es muy bajo (3 por 1.000.000) temperatura del cuerpo bajo un campo de 1 Tesla. Esta diminuta diferencia, llamada imantación longitudinal, es la que permite la imagenologñia por RM.

Por otra parte, ocurre que el giro de los protones no es perfectamente axial, sino que el giro es bamboleante como el de una peonza (o como el de Tierra) de modo describe un cono de giro (*) . Este bamboleo se denomina movimiento precesional. La frecuencia precesional (wo)viene definida por la ecuación de Larmor:

w_o = gB_o

(siendo g la llamada constante giromagnética)

Como este momento magnético es demasiado pequeño para ser medido, se recurre a crear una perturbación que desalinee el dipolo del campo Bo. Dicha perturbación se consigue aplicando un campo magnético secundario (B1) que rota en un plano perpendicular a Bo

Debido al movimiento precesional, cuando los protones se colocan en un campo magnético su vector magnético se sitúa con un ángulo determinado respecto al eje giratorio. El movimiento precesional es irregular porque los protones están fuera de fase, es decir, que los componentes transversales del movimiento se contrarrestan entre sí.