氢核在外加磁场中有两种能级状态。若处于顺磁状态时，则为低能级的基态；若处于逆磁状态时，则为高能级的激发态。由于两种状态之间的能级差ΔE很小，处于两种能级状态的磁核数目几乎相等。根据Boltzmann分配定律，在热平衡状态下，磁核自旋能级分裂产生的基态核数（nα）与激发态核数（nβ）的比例为
若外加磁场强度为14.092T（60MHz），温度为300K，则氢核的nα/nβ=1.000 009 9。这说明处于基态的核数总比处于激发态的核数稍稍多一些，核磁共振信号实际上就是依靠这多出来的约百万分之十的基态核数的净吸收而产生的。
从Boltzmann分配定律还可以说明，σ增大对测定有利。因为H0增大时，使nα/nβ增大，净吸收值增大，信噪比增加，灵敏度增加。
实际上接收线圈获得的磁核磁矩改变信号，不是某一个磁核跃迁产生的，而是所有这些基态磁核能级跃迁的综合结果，人们常用这些磁核沿着磁场方向进动的总效果——这些磁核的磁矩μ的矢量来表示，称为总的磁化强度矢量，或称宏观磁化向量。
若磁核从基态跃迁到激发态后，没有其它途径回到基态，也就没有上述多出的基态核数，就会产生饱和现象，NMR信号消失。若撤销射频照射停止激发，跃迁磁核则以非辐射方式释放能量，逐渐恢复到热平衡状态，这个过程称为弛豫历程。(www.xing528.com)
在正常情况下，在测试过程中，高能级的核可以不用辐射的方式回到低能级，这个现象叫作弛豫。弛豫有两种方式。
（1）自旋-晶格弛豫，又叫纵向弛豫。核（自旋体系）与环境（又叫晶格）进行能量交换，高能级核把能量以热运动的形式传递出去，由高能级返回低能级。这个弛豫过程需要一定的时间，其半衰期用T1表示，T1越小表示弛豫过程的效率越高。
（2）自旋-自旋弛豫，又叫横向弛豫。高能级核把能量传给邻近一个低能级核。在此弛豫过程前后，各种能级核的总数不变。其半衰期用T2表示。
对于每一种核来说，它在某一较高能级平均停留时间只取决于T1及T2中较小者。根据测不准原理，谱线宽度与弛豫时间成反比（由T1与T2中较小者决定）。固体样品T2很小，所以谱线很宽。因此，在化合物结构分析的NMR测试中，一般将固体样品配制成溶液。另外，如果溶液中有顺磁性物质，如铁、氧气等，会使T1缩短，谱线加宽，所以样品中不能含铁磁性物质和其它顺磁性物质。
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