質子自旋量子數I為1/2時,其磁矩μN在靜磁場H中隻有兩種取向,分別對應於能量為E-½=γħH/2及E½=-γħH</2 的能級(γ為回磁比;ħ=h/2π,h為普朗克常數)。如垂直於H的射頻電磁波的頻率v滿足hvE-½-E½=γħH時,則低能級的質子就從射頻電磁波吸收能量,躍遷至高能級。將射頻電磁波的能量變化對磁場作圖,即得質子磁共振譜。

  有機化合物大都含有質子,而且質子的天然豐度為99.8%,所以質子磁共振的靈敏度較高,已成為解決有機化合物分子結構不可缺少的工具。