7.2: גרעיני אטום: ספין גרעיני

לכל החלקיקים האטומיים יש תנע זוויתי מהותי, או "ספין". לאלקטרונים, פרוטונים וניטרונים לכל אחד יש ערך ספין של ½, אם כי לפרוטונים ולנייטרונים בגרעינים עשויים להיות ספינים גבוהים יותר של חצי מספר שלם בגלל גורמים אנרגטיים.

לגרעיני אטום יש ספין גרעיני נטו, CoreOrgo italic i, שיכול להיות בעל ערך שלם או חצי שלם. בגרעיני אטום, הספינים של פרוטונים מזווגים זה מול זה אך לא עם נויטרונים, ולהיפך. כתוצאה מכך, מספר זוגי של פרוטונים אינו תורם לערך הספין הגרעיני, והדבר נכון גם לגבי נויטרונים.

הגרעינים של פחמן-12 וחמצן-16 מכילים מספר זוגי של פרוטונים וגם נויטרונים ויש להם ספין גרעיני נטו אפס (CoreOrgo italic i = 0). כאשר הגרעין מכיל מספר אי-זוגי של פרוטונים (למשל, פרוטיום) או נויטרונים (למשל, פחמן-13), הספין הגרעיני הוא מספר חצי שלם בגלל הנוקליאון הבלתי מזווג. לגרעין המכיל מספרים אי-זוגיים של נויטרונים ופרוטונים יש ספין שלם שאינו אפס. כל הגרעינים עם ספינים שאינם אפס הם פעילים ל-NMR.

גרעינים בעלי ערכי ספין גדולים מ-½ נקראים גרעינים מרובע קוטביים. יותר משני שליש מהגרעינים הפעילים ב-NMR טבעיים הם מרובע-פולאריים (דוגמאות כוללות חנקן-14, חמצן-17, גופרית-33, בורון-11 וכלור-35). לגרעינים ארבע-קוטביים יש פיזור מטען לא כדורי המוביל לשדות חשמליים ומגנטיים א-סימטריים שגורמים לאותות רחבים ולהתנהגות NMR מורכבת. כתוצאה מכך, גרעיני חצי ספין, עם חלוקת מטען כדורית ושדות סימטריים, מועדפים עבור מחקרי NMR.