Kada se grupa čestica sa spinom postavi u magnetno polje, svaki spin zauzima jedno od dve moguće orijentacije. Na sobnoj temperaturi, broj čestica sa α-spinskim stanjem, N+, je malo veći od broja čestica sa β-spinskim stanjem, N-.
Po Bolcmann-ovoj statistici važi pravilo da N-/N+ = e-E/kT, gde je E energetska razlika između spinskih stanja, k Bolcmann-ova konstanta (1,3508x10-23 J/K), T je temperatuta u Kelvinima i e osnova prirodnog logaritma (2.718). Sa smanjenjem temperature vrednost N-/N+ opada, a sa porastom se približava jedinici.
Signal u NMR spektroskopiji potiče od razlike između energije koju apsorbuju spinovi pri prelazu iz nižeg u više energetsko stanje, i energije koju emituju spinovi koji simultano prelaze iz višeg u niže energetsko stanje. Prema tome, signal je proporcionalan odnosu vrednosti N- i vrednosti N+. NMR spektroskopija je veoma osetljiva spektroskopija sposobna da detektuje veoma male promene vrednosti N-/N+. Upravo rezonancija, odnosno razmena energije specifične frekvencije između spinova i spektrometra daje veliku osetljivost NMR spektroskopiji.
