Я́дерный магни́тный резона́нс (ЯМР), резонансное поглощение электромагнитной энергии парамагнитной системой атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле. ЯМР открыт Э. М. Пёрселлом совместно с другими (1945) и независимо Ф. Блохом (1946). Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле напряжённости $\bold{Н_0}$ при одновременном воздействии на образец слабого радиочастотного поля, напряжённость которого $\bold{Н_1}$ перпендикулярна $\bold{Н_0}$. ЯМР обусловлен наличием у ядер спина $I$ и связанного с ним магнитного момента $μ = g_яβ\bold{I}$, где $g_я$ – ядерный фактор спектроскопического расщепления, имеющий различные значения для различных ядер; $β$ – ядерный магнетон. Наличие у ядер магнитных моментов обусловливает их парамагнитное поведение в постоянном магнитном поле.

Согласно квантовой теории, в магнитном поле $\bold{Н_0}$ состояния ядерного спина квантованы, т. е. его проекции m_I на направление внешнего поля дискретны и могут принимать только одно из значений $+I, +I–1, …, –I$ (в случае ядра водорода, имеющего спин 1/2, возможны только 2 проекции – по полю и против поля ($m_I=1/2$ и $m_I=–1/2$). В простейшем случае изолированных невзаимодействующих ядер решение уравнения для полной энергии взаимодействия их магнитных моментов с полем $H_0$ даёт систему $2I+1$ эквидистантных энергетических уровней c энергией . Расстояние между уровнями $ΔmI = 1$, и тогда $Δℰ = g_яβH_0$.

Переменное магнитное поле может вызвать переходы между этими уровнями, если его частота $ν_0$ удовлетворяет условию резонанса: $ΔЕ = hν_0$. При тепловом равновесии на нижнем уровне $Е_1$ (ориентация магнитных моментов по полю) находится большее количество ядер, чем на верхнем уровне $E_2$ (ориентация магнитных моментов против поля). Соотношение населённостей нижнего $N_1$ и верхнего $N_2$ уровней описывается распределением Больцмана: $N2/N1 = exp(–Δℰ/kT) = exp(–g_яβH_0/kT)$, где $Δℰ = ℰ_2–ℰ_1$, $k$ – постоянная Больцмана, $T$ – абсолютная температура. При непрерывном воздействии резонансным радиочастотным излучением частоты $ν_0$ будет происходить его поглощение и переход ядер из нижнего состояния $ℰ_1$ в верхнее $ℰ_2$, величины $N_1$ и $N_2$ могут выровняться, после чего резонансное поглощение может прекратиться (наступит насыщение). Каждый атом характеризуется определённой резонансной частотой; например, в магнитном поле $H_0=1 Тл$ частоты $ν_0$ ядер атомов лежат в пределах от 42,377 МГц (водород) до десятков и единиц МГц. Это позволяет с помощью ЯМР определять наличие и количество не только атомов конкретных химических элементов в веществе, но и их изотопов.

На явлении ЯМР основана ЯМР-спектроскопия. Спектры ЯМР регистрируют с помощью ЯМР-спектрометров. Образец исследуемого вещества помещают в катушку генерирующего контура (в поле напряжённости $\bold{Н_1}$), расположенного в зазоре магнита, создающего поле напряжённости $\bold{Н_0}$ ($\bold{Н_1}$⊥$\bold{Н_0}$). При $ν=ν_0$ наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения в контуре, в схему которого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подаётся на регистрирующее устройство. В современных радиоспектрометрах ЯМР обычно используют магнитные поля напряжённостью 1–12 Тл.

Область спектра, в которой находится детектируемый сигнал с одним или несколькими максимумами, называют линией поглощения ЯМР. Ширина наблюдаемой линии, измеренная на половине максимальной интенсивности и выраженная в Гц, называется шириной линии ЯМР. Разрешение спектра ЯМР – минимальная ширина линии ЯМР, которую позволяет наблюдать данный спектрометр.

Поглощённую энергию система атомных ядер перераспределяет внутри себя (т. н. спин-спиновая, или поперечная, релаксация; характеристическое время релаксации $Т_2$) и отдаёт в окружающую среду (спин-решёточная релаксация, время релаксации $Т_1$). Времена релаксации несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции различных молекулярных движений. Измерения зависимости $Т_1$ и $Т_2$ от температуры и частоты $ν_0$ дают информацию о характере теплового движения, химических равновесиях, фазовых переходах и др.

Основной параметр спектра ЯМР – химический сдвиг частоты, возникающий вследствие того, что электронные оболочки атомов частично экранируют магнитные моменты ядер, и $ν_0$ свободного атома отличается от ν₀ атома в жидкости или в твёрдом теле. Он несёт информацию не только о характере межатомных связей, но и о количестве и симметрии расположения соседних атомов. В металлах или сильнолегированных полупроводниках свободные электроны создают в месте расположения ядра дополнительное поле, приводящее к т. н. сдвигу Найта резонансной частоты. Химический сдвиг меньше сдвига Найта, а его знак противоположен.

ЯМР-спектроскопия – неразрушающий метод анализа – один из основных физико-химических методов анализа вещества. Основная область применения – органическая химия, анализ различных химических процессов с участием парамагнитных ядер, прежде всего водорода (даёт информацию о конформационных равновесиях, водородных связях и ассоциации в жидкостях, металлo- и прототропии, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции веществ и др.). Число и положение линий в спектрах ЯМР однозначно характеризуют все фракции сырой нефти, синтетических каучуков, пластмасс, сланцев, углей, продукции химической и фармацевтической промышленности. ЯМР-спектроскопия даёт информацию о структуре биополимеров (в т. ч. белковых молекул в растворах), сопоставимую по достоверности с данными рентгеновского структурного анализа.

ЯМР используют для изучения жидких кристаллов, диффузии атомов и молекул в твёрдых телах, электронной структуры ионных кристаллов, а также для исследования разнообразных процессов в аморфных веществах и монокристаллах. На ЯМР основана магнитно-резонансная томография.