核磁共振主要是由原子核的自旋運動引起的。不同的原子核，自旋運動的情況不同，它們可 以用核的自旋量子數I來表示。自旋量子數與原子的質量數和原子序數之間存在一定的關系，大致分為三種情況，如下表。
分類 | 質量數 | 原子序數 | 自旋量子數I | NMR信號 |
|---|---|---|---|---|
I | 偶數 | 偶數 | 0 | 無 |
II | 偶數 | 奇數 | 1,2,3，…（I為整數） | 有 |
III | 奇數 | 奇數或偶數 | 0.5,1.5，2.5，…（I為半整數） | 有 |
I值為零的原子核可以看做是一種非自旋的球體，I為1/2的原子核可以看做是一種電荷分布均勻的自旋球體，1H，13C，15N，19F，31P的I均為1/2，它們的原子核皆為電荷分布均勻的自旋球體。I大于1/2的原子核可以看做是一種電荷分布不均勻的自旋橢球體。